CN112962516B - 一种抑制堤基管涌的除险加固措施的设计及施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制堤基管涌的除险加固措施的设计及施工方法，在背水侧的堤基内部设置屏障结构，其用于抑制堤基内部集中渗漏通道的产生及扩展；其中，对于所述单层堤基，所述屏障结构设置在背水侧堤脚；对于所述双层堤基和所述多层堤基，所述屏障结构设置在所述弱透水覆盖层和其下层所述强透水层之间，所述屏障结构位于背水侧的弱透水覆盖层的薄弱部位的迎水侧；所述屏障结构的材料，保证其既具有足够的透水性，又能够有效防止强透水层的土体中的颗粒流失；通过计算确定屏障结构的材料粒径；屏障结构生态环保，成本低廉；施工方便，加固效果好。

Description

一种抑制堤基管涌的除险加固措施的设计及施工方法
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，特别涉及一种抑制堤基管涌的除险加固措施的设计及施工方法。
背景技术
堤防工程是我国防洪体系的重要基础，而管涌是堤防工程最常见且最主要的险情。据统计，1998年长江发生的流域性大洪水期间，中下游堤防发生险情总数73825 处，管涌占35.2%，其中较大险情1702处，管涌占51.2%；管涌抢险耗费了巨大的人力、物力；堤防抢险和除险加固的实践表明，管涌是我国堤防工程存在最普遍且难以治愈的心腹大患。
垂直防渗墙、减压井、堤内盖重等传统的除险加固措施虽有较好的加固效果，但也存在诸多问题；如垂直防渗墙造价过高，还可能会切断堤内地下水与外界交换途径，对堤内地下水环境带来不利影响；减压井容易发生淤堵，长期运行管理成本也较高；堤内盖重会造成大量耕地浪费，同时还可能涉及征地和移民等问题，实施难度巨大。
因此，迫切需要一种生态环保的、成本低廉、施工方便的、加固效果好的堤防除险加固措施。
发明内容
为解决以上问题，本发明提出了一种抑制堤基管涌的除险加固措施的设计及施工方法，其通过设置合理的屏障结构，抑制堤基内部集中渗漏通道的产生及扩展，该设计及施工方法具有广阔的应用前景。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种抑制堤基管涌的除险加固措施的设计方法，所述堤基分为单层堤基、双层堤基和多层堤基，其中，所述单层堤基为一层强透水层；所述双层堤基，包括一层强透水层和覆盖在所述强透水层上的弱透水覆盖层；所述多层堤基，包括多层间隔设置的强透水层、设置在两层所述强透水层之间的弱透水层和最上层的弱透水覆盖层，进一步的，在背水侧的堤基内部设置屏障结构，其用于抑制堤基内部集中渗漏通道的产生及扩展；其中，对于所述单层堤基，所述屏障结构设置在强透水层内，其位于背水侧堤脚处；对于所述双层堤基和所述多层堤基，所述屏障结构设置在所述弱透水覆盖层和其下层所述强透水层之间，所述屏障结构位于背水侧弱透水覆盖层的薄弱部位的迎水侧；所述屏障结构的材料，保证其既具有透水性，又能够防止所述强透水层的土体中的颗粒流失。
进一步的，所述屏障结构的材料，包括粗砂或者满足孔径要求的土工合成材料。
进一步的，所述屏障结构的材料选用粗砂时，粗砂颗粒级配按照反滤层准则进行设计，所述屏障结构为反滤层，所述强透水层的土体为被保护土体；当所述强透水层的土体的不均匀系数≤5-8时，所述屏障结构的材料的颗粒级配的计算方法为：
D 15/d 85≤4-5；
D 15/d 15≥5；
其中，D 15表示所述屏障结构中质量百分含量为15%所对应的颗粒粒径；d 15表示强透水层的土体中质量百分含量为15%所对应的颗粒粒径；d 85表示强透水层的土体中质量百分含量为85%所对应的颗粒粒径；
当强透水层的土体的不均匀系数＞8时，屏障结构的材料的颗粒级配的计算方法为：
D 15/d 15≥5；
D 15/d 85R≤4-5；
其中，d 85R表示强透水层的土体中去除粒径大于5mm的粗颗粒后，颗粒级配中质量百分含量为85%所对应的颗粒粒径。
进一步的，所述屏障结构为沿堤身轴向设置的墙体；所述屏障结构嵌入强透水层的深度为2-5m。
进一步的，所述屏障结构嵌入弱透水覆盖层的深度为0.3-0.5m。
一种抑制堤基管涌的除险加固措施的施工方法，进一步的，包括以下步骤：
S1.确定堤基分类；
S2.确定屏障结构施工位置，根据S1中确定的堤基类型，当所述堤基为单层堤基时，所述屏障结构设置在强透水层内，其位于堤身的背水侧堤角处；当为双层堤基和多层堤基时，所述屏障结构设置在最上层所述弱透水覆盖层和其下层所述强透水层之间，所述屏障结构位于堤身的背水侧的最上层弱透水覆盖层厚度薄且靠近堤身的迎水侧的位置；
S3.根据S2确定的屏障结构施工位置，清理平整施工场地，并开始造孔；
S4.清孔；
S5.根据强透水层土体的不均匀系数，确定屏障结构的材料粒径或有效孔径，并向孔中回填屏障结构的材料；
S6.将回填的屏障结构的材料密实；
S7.检查验收。
进一步的，步骤S3中所述造孔分为人工开挖和机械造孔，其中所述机械造孔使用振冲法进行施工。
进一步的，步骤S3中使用人工开挖时，所述屏障结构为沿着堤身轴向设置的倒梯形墙体，其底部厚度大于1m；其打入强透水层的深度为2-5m；其打入弱透水覆盖层的深度为0.3-0.5m。
进一步的，步骤S3中使用振冲法进行机械造孔时，所述屏障结构为沿着堤身轴向设置的矩形墙体，其厚度为0.8-1.2m，其打入强透水层的深度为2-5m；其打入弱透水覆盖层的深度为0.3-0.5m。
有益效果：
第一、通过以上方案的实施，在背水侧的堤基内部设置屏障结构，屏障结构的位置，对于单层堤基，所述屏障结构设置在强透水层内，其位于背水侧堤脚处；所述屏障结构设置在所述弱透水覆盖层和其下层所述强透水层之间，所述屏障结构位于背水侧的弱透水覆盖层的薄弱部位的迎水侧，如此设置屏障结构不仅可以预防渗漏的发生，同时当堤基中产生集中渗漏通道时，集中渗漏通道前端遇到屏障结构，集中渗漏通道将沿着屏障结构的布置轴线、垂直于渗流的方向扩展，从而显著地降低作用在集中渗漏通道前端的渗透压力，集中渗漏通道的扩展速度将显著降低。
第二、通过计算确定屏障结构的材料粒径或有效孔径，保证所述屏障结构既具有足够的透水性，又能够有效防止强透水层土体中的颗粒流失；使屏障结构材料的渗透性远大于强透水层的渗透性；因此，能够有效抑制堤基内部集中渗漏通道的产生及扩展。
第三、屏障结构不仅嵌入强透水层，同时嵌入弱透水覆盖层，保证与弱透水覆盖层接触密实，保证了屏障结构的稳定性。
第四、屏障结构的施工过程无需造成大量的耕地浪费，施工方便；在屏障结构施工完成后，运营成本低，几乎不造成生态的破坏。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为图1中A部分的放大图的示意图；
图3为本发明中单层堤基的示意图；
图4为本发明中双层堤基的示意图
图5为本发明中多层堤基的示意图；
图6为本发明人工开挖时截面图的示意图
图7为本发明机械造孔时截面图的示意图；
符号说明：
1.强透水层、2.弱透水覆盖层、3.屏障结构、3-1.矩形屏障结构、3-2.倒梯形屏障结构、4.集中渗漏通道、5.弱透水层、6.堤身、6-1.迎水侧、6-2.背水侧、7.水、8.沙丘、9.细颗粒。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式限制。
一种堤基防管涌的除险加固结构的设计方法，如图1-2所示，所述堤基上方设有堤身6，所述堤身6分为接触水7的迎水侧和另一侧的背水侧；以双层堤基为例，其设计原理为：由于强透水层1的细颗粒5很容易被渗流带走，在堤基内长时间的土体流失就会造成土体破坏，例如，在堤基内会形成一个集中渗流通道4，而沙子跟随涌出的水7在堤基表面形成小沙丘8；为避免这种土体流失，可以在适当的位置建立一个屏障结构3，保证屏障结构3的材料的渗透性大于强透水层1的渗透性，其材料中的颗粒启动坡降大于强透水层1中细颗粒9的启动坡降，同时将其位置设置在堤基背水侧的强透水层1中，在强透水层1上层覆盖层厚度最薄位置的迎水侧，这样的屏障结构3其内部具有足够的透水性，其透水性大于所述强透水层1，可以有效防止强透水层1土体中的颗粒流失，能够有效抑制堤基内部集中渗漏通道4的产生；屏障结构3不仅可以预防集中渗漏通道4的产生，同时在已经产生集中渗漏通道4后，集中渗漏通道4前端遇到屏障结构3，集中渗漏通道4将沿着屏障结构3的布置轴线、垂直于渗流的方向扩展，从而显著地降低作用在集中渗漏通道4的渗透压力，集中渗漏通道4的扩展速度将显著降低。
如图3-5所示，堤基分为单层堤基、双层堤基和多层堤基；其中，所述单层堤基为一层强透水层1，所述强透水层1由砂性土组成；所述双层堤基，包括一层强透水层1，其位于底部，一层弱透水覆盖层2，其覆盖在强透水层1上，为堤基最上层；所述多层堤基，包括多层间隔设置的所述强透水层1，并且最底层为所述强透水层1；最上层为所述弱透水覆盖层2；两层强透水层1之间为弱透水层5，其中所述弱透水覆盖层2和所述弱透水层5由黏土组成；所述屏障结构3均设置在背水侧堤基的强透水层1中，位置为容易出现及已经形成缺陷的位置；根据其需除险加固的堤基不同分为：对于单层堤基，所述屏障结构3设置在强透水1层内，在背水侧6-2堤脚或背水侧6-2堤脚附近；对于双层堤基，所述屏障结构3设置在弱透水覆盖层2和其下部的强透水层1之间，所述屏障结构3设置在背水侧6-2的弱透水覆盖层2的薄弱部位2-1的迎水侧，所述薄弱部位2-1为弱透水覆盖层2的厚度薄的位置，如堤内藕塘的迎水侧；对于所述多层堤基，所述屏障结构3设置在弱透水覆盖层2和其下部的强透水层1之间，所述屏障结构3设置在背水侧6-2的弱透水覆盖层2的薄弱部位2-1的迎水侧，所述薄弱部位2-1为弱透水覆盖层2的厚度薄的位置，如堤内藕塘的迎水侧；所述屏障结构3嵌入强透水层1的深度为2-5m；对于所述双层堤基和多层堤基，所述屏障结构3嵌入弱透水覆盖层2的深度为0.3-0.5m，保证与弱透水覆盖层2接触密实，保证了屏障结构3的稳定性。
所述屏障结构的材料保证所述屏障结构的渗透性大于强透水层的渗透性；优选的，屏障结构的材料，包括粗砂或者满足孔径要求的土工合成材料；所述屏障结构的材料选用粗砂时，粗砂颗粒级配按照反滤层准则进行设计，所述屏障结构为反滤层，所述强透水层的土体为被保护土体；当所述强透水层的土体的不均匀系数≤5-8时，所述屏障结构的材料的颗粒级配的计算方法为：
D 15/d 85≤4-5；
D 15/d 15≥5；
其中，D 15表示所述屏障结构中质量百分含量为15%所对应的颗粒粒径；d 15表示强透水层的土体中质量百分含量为15%所对应的颗粒粒径；d 85表示强透水层的土体中质量百分含量为85%所对应的颗粒粒径；
当强透水层的土体的不均匀系数＞8时，屏障结构的材料的颗粒级配的计算方法为：
D 15/d 15≥5；
D 15/d 85R≤4-5；
其中，d 85R表示强透水层的土体中去除粒径大于5mm的粗颗粒后，颗粒级配中质量百分含量为85%所对应的颗粒粒径。
当所述屏障结构的材料选用土工合成材料时，土工合成材料的有效孔径则应按照《土工合成材料应用技术规范》的相关规定。
一种堤基防管涌的除险加固结构的施工方法，包括以下步骤：
S1.确定堤基分类，如图3-5所示，根据强透水层1、弱透水覆盖层2和弱透水层5的数量和分布，确定堤基为单层堤基、双层堤基或多层堤基；
S2.确定屏障结构的位置，如图3-5所示，当所述堤基为单层堤基时，所述屏障结构3设置在强透水1层内，在背水侧6-2堤脚或背水侧6-2堤脚附近；当为双层堤基和多层堤基时，所述屏障结构3设置在弱透水覆盖层2和其下部的强透水层1之间，所述屏障结构3设置在背水侧6-2的弱透水覆盖层2的薄弱部位2-1的迎水侧，如堤内藕塘的迎水侧。
S3.根据S2确定的屏障结构施工位置，清理平整施工场地，并开始造孔；所述造孔分为人工开挖和机械造孔，其中所述机械造孔使用振冲法进行施工，根据挖掘量的大小选择合适的造孔施工方式；如图6所示，当使用人工开挖施工时，所述屏障结构为倒梯形屏障结构3-2，其为沿着堤身轴向设置的倒梯形墙体，其底部厚度大于1m，其打入强透水层1的深度为2-5m；对于所述双层堤基和多层堤基，其打入弱透水覆盖层2的深度为0.3-0.5m；使用振冲法进行机械造孔时，需要布置桩位，使用振冲器对准桩位；启动振冲器垂直成孔至处理深度，每0.3m一下；如图7所示，其屏障结构为矩形屏障结构3-1，其为沿着堤身轴向设置的矩形墙体，其厚度为0.8-1.2 m，其嵌入强透水层1的深度为1-2m；对于所述双层堤基和多层堤基，其嵌入弱透水覆盖层2的深度为0.3m；
S4.清孔，使用振冲法进行机械造孔时，需要上提下沉振冲器几次，利用高压水清理孔壁；
S5.根据强透水层土体的不均匀系数，确定屏障结构的材料的粒径或孔径，并向孔中回填屏障结构的材料；
S6.将回填的屏障结构的材料密实；
S7.检查验收。
上述实施例仅说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明,任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变；因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种抑制堤基管涌的除险加固措施的设计方法，所述堤基分为单层堤基、双层堤基和多层堤基，其中，所述单层堤基为一层强透水层；所述双层堤基，包括一层强透水层和覆盖在所述强透水层上的弱透水覆盖层；所述多层堤基，包括多层间隔设置的强透水层、设置在两层所述强透水层之间的弱透水层和最上层的弱透水覆盖层，其特征在于，在背水侧的堤基内部设置屏障结构，其用于抑制堤基内部集中渗漏通道的产生及扩展；其中，对于所述单层堤基，所述屏障结构设置在强透水层内，其位于背水侧堤脚处；对于所述双层堤基和所述多层堤基，所述屏障结构设置在所述弱透水覆盖层和其下层所述强透水层之间，所述屏障结构位于背水侧弱透水覆盖层的薄弱部位的迎水侧；所述屏障结构的材料，保证其既具有透水性，又能够防止所述强透水层的土体中的颗粒流失；
所述屏障结构为沿堤身轴向设置的墙体；所述屏障结构嵌入强透水层的深度为2-5m；所述屏障结构嵌入弱透水覆盖层的深度为0.3-0.5m。
2.根据权利要求1所述的抑制堤基管涌的除险加固措施的设计方法，其特征在于，所述屏障结构的材料，包括粗砂或者满足孔径要求的土工合成材料。
3.根据权利要求2所述的抑制堤基管涌的除险加固措施的设计方法，其特征在于，所述屏障结构的材料选用粗砂时，粗砂颗粒级配按照反滤层准则进行设计，所述屏障结构为反滤层，所述强透水层的土体为被保护土体；当所述强透水层的土体的不均匀系数≤5-8时，所述屏障结构的材料的颗粒级配的计算方法为：
D15/d85≤4-5；
D15/d15≥5；
其中，D15表示所述屏障结构中质量百分含量为15％所对应的颗粒粒径；d15表示强透水层的土体中质量百分含量为15％所对应的颗粒粒径；d85表示强透水层的土体中质量百分含量为85％所对应的颗粒粒径；
当强透水层的土体的不均匀系数＞8时，屏障结构的材料的颗粒级配的计算方法为：
D15/d85R≤4-5；
其中，d85R表示强透水层的土体中去除粒径大于5mm的粗颗粒后，颗粒级配中质量百分含量为85％所对应的颗粒粒径。
4.一种抑制堤基管涌的除险加固措施的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.确定堤基分类；
S2.确定屏障结构施工位置，根据S1中确定的堤基类型，当所述堤基为单层堤基时，所述屏障结构设置在强透水层内，其位于背水侧堤脚处；当所述堤基为双层堤基和多层堤基时，所述屏障结构设置在弱透水覆盖层和其下层强透水层之间，所述屏障结构位于背水侧的弱透水覆盖层的薄弱部位的迎水侧；
S3.根据S2确定的屏障结构施工位置，清理平整施工场地，并开始造孔；
造孔分为人工开挖和机械造孔，其中所述机械造孔使用振冲法进行施工；
使用人工开挖时，所述屏障结构为沿着堤身轴向设置的倒梯形墙体，其底部厚度大于1m；其打入强透水层的深度为2-5m；其打入弱透水覆盖层的深度为0.3-0.5m；
使用振冲法进行机械造孔时，所述屏障结构为沿着堤身轴向设置的矩形墙体，其厚度为0.8-1.2m，其打入强透水层的深度为2-5m；其打入弱透水覆盖层的深度为0.3-0.5m；
S4.清孔；
S5.根据强透水层土体的不均匀系数，确定屏障结构的材料粒径或有效孔径，并向孔中回填屏障结构的材料；
S6.将回填的屏障结构的材料密实；
S7.检查验收。
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