堤防漫溢除险和复堤.docx
《堤防漫溢除险和复堤.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《堤防漫溢除险和复堤.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
堤防漫溢除险和复堤
第二章堤防漫溢除险和复堤
因自然与人类活动的影响等原因，不少江河湖堤防（此处不包括海堤）的防洪标准很低。
从抗御1998年大洪水的实际看来，很多堤防面临着漫顶的现实威胁，出现了靠子堤挡水1～2m的超常状态，险情极为严重。
在正常情况下，堤防要解除漫溢的威胁，堤顶必须达到有关规范规定的设计高程。
堤身加高，堤坡和堤顶相应也要加培。
堤防溃决的复堤、因崩岸退堤还滩、堤线的裁弯取直等，需要在新的地基上，进行新堤的设计和施工。
第一节堤顶高程的复核
堤顶高程应由推定的设计洪水位h1加上一定的堤顶超高y所确定。
凡是堤顶高程尚未达到两者之和的堤防，原则上都应加高培厚堤身，使之达标。
所以，为了进行堤防漫溢破坏的除险工作，首先就要复核堤顶高程，检查其是否满足规范规定的要求。
一、堤防工程防洪标准的推定
堤防工程防护对象的防洪标准应按国家标准《防洪标准》确定。
堤防工程的防洪标准应根据防护区内防洪标准较高防护对象的防洪标准确定。
堤防工程的级别应符合国家标准《堤防工程设计规范》的规定，见表2－1。
表2－1堤防工程的级别
防洪标准
[重现期（年）]
≥100
<100,且≥50
<50,且≥30
<30,且≥20
<20,且≥10
堤防工程的级别
1
2
3
4
5
对于特别重要的堤防，其防洪标准经专题论证后，要报主管部门审批确定。
蓄、滞、行洪区的堤防工程的防洪标准，应根据江河流域规划要求专门确定。
以洪水的重现期表示的防洪标准，所对应的是洪峰流量值。
不同河段应该通过洪水的频率分析，计算出相应重现期的设计洪水洪峰流量值，实测当时河段的纵横断面，并分析选用糙率值，通过推水面线的方法，得到该河段沿程的设计洪水位值。
对于选用的糙率、断面等，必须通过非设计流量下实际水面线的反复校核。
以重现期表示的设计洪水位，一般可以保持一个相当长时期的稳定。
如果河道糙率或断面发生了很大变化（如淤积、裁湾等），必须采用上述步骤，重新推算沿程新的设计洪水位，以免对堤防安全造成威胁。
当江河水系复杂，分流、顶托组合因素很多，难以用某一重现期的设计洪水来推定设计洪水位时，在一些流域规划中，往往以实际发生的某次洪水的最高水位，或者在此基础上酌量提高后作为设计洪水位，在经上级主管部门批准后，也可作为堤顶高程设计洪水位复核的依据。
二、堤顶超高的计算
由于风浪和各种不确定性因素确定的影响，在设计洪水位上必须再加上一定的超高，以策安全。
堤顶超高：
y=R+e+A （2-1）
1.波浪爬高R：
在风浪的作用下，波浪爬高常会引起堤防的漫溢险情。
波浪爬高可按《堤防工程设计规范》所介绍的方法计算。
湖堤及内陆河堤设计波浪的计算风速，可采用历年汛期最大风速平均值的1.5倍。
2.风壅水面高e：
风沿水域吹过所形成的水面升高，即风壅水面超过静水面的高度，在有限风区的情况下，可按下式计算：
e=KV2F/（2gd）.cosβ （2-2）
式中e为计算点的风壅水面高度，m；K为综合摩阻系数，取K=3.6×10－6；V为设计风速，m/s，按计算波浪的风速确定；F为由计算点逆风向量到对岸的距离m；d为水域的平均水深m；β为风向与堤轴线的法线的夹角，度。
3.安全加高A：
在设计堤顶高程时，要有一定的安全加高值，是因为水文分析中观测资料系列的有限性，河道冲淤变化，主流位置改变，堤顶磨损和风雨侵蚀。
安全加高值不含施工予留的沉降加高。
该值应根据堤防国家标准《堤防工程设计规范》，工程的级别和防浪要求按表2－2的规定分析确定。
表2－2堤防工程的安全加高
堤防工程的级别
1
2
3
4
5
安全加高（m）
不允许越浪的堤防工程
1.0
0.8
0.7
0.6
0.5
允许越浪的堤防工程
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
4.堤顶超高的取值：
江河湖泊堤防原则上应按上述方法计算堤顶超高。
在堤防加固设计中，堤顶超高计算值可能变幅很大，直接使用有困难，往往按堤的等级、材料及河段特性，分段给出规定值。
如长江中游堤防特别重要的一类堤超高2.0m；二类堤超高1.5m；一般的三类堤超高1.0m。
第二节漫溢除险与复堤的布置
一、除险加高布置
经分析论证确定堤防加固高度后，应根据安全可靠，因地制宜的原则选择加固断面的结构型式。
我国绝大多数堤防为粘性土均质堤。
若无特殊原因，一般多选择与原堤防相同的土料加固堤身，结构简单，施工便利，有利于新老土层间的结合。
若原筑堤粘性土料短缺，且堤防加高高度大，所需粘性土料方量大，则可选择复式断面结构型式，以少量粘土作防渗斜墙，以砂砾石或砾卵石作支承体。
也可采用土工膜作防渗斜墙。
若当地碎石料或煤矸石料丰富，亦可用碎石料或煤矸石料作支承体。
堤防加高的断面型式选择应通过技术经济比较后确定。
（一）按均质堤型加高
1.背水面培厚加高
背水面培厚加高型式具有土源相对丰富、施工方便的优点，但也应注意防止新、老堤土结合面成为渗流薄弱面。
（1）料场选择的原则
土料的渗透系数不大于10－4cm/s；
土料的粘粒含量应与原堤土相当或略低，土料的渗透系数应与原堤土相当或略大。
粘粒含量比原堤土高出较多，渗透系数小得较多的粘土，不应采用，因其不利于堤体渗水的排出；
土料天然含水率尽量接近最优含水率；
重要堤防的料场应离堤脚300m以外，或者也可在距堤脚200m左右处取压盖平台的吹填固结土，但必须尽快吹填补齐；
若堤防附近无合适土源，则料场选择还应考虑运距、交通方便、造价等因素。
（2）堤身布置
堤身培厚加高的布置见图2－1。
堤顶宽度根据防汛、交通等实际需要确定，一般3级以上堤防不宜小于6m，堤坡可拟定为1：
3，经稳定计算后确定（详见第四章）。
堤高大于6m者，背水坡应设戗台，其顶宽不小于2m，戗台的顶高程应在设计水位时的渗流出逸点以上。
浸润线与渗流出逸点计算，见第三章。
原堤防临水坡应按加高设计坡度整坡，背水坡则应挖成台阶状，按1：
3.0的坡连接。
图2－1背水面培厚加高的均质堤断面示意
图2－2临水面培厚加高的均质堤断面示意
2.临水面培厚加高
当河道整治需要或背水坡有其他工程设置无法培厚时，可考虑在临水面培厚加高堤防，断面布置如图2－2所示。
若需在临水面滩地取土，为了保护滩地的天然铺盖作用，取土范围应在距堤脚50m以外，取土深度不超过1.5m。
土料的渗透系数应小于或相当于原堤土料的渗透系数。
原堤防背水坡应按加高设计坡度削坡，临水坡应挖成台阶状，按大于1:
3.0的坡连接，以利于新、老堤身的结合。
培厚加高后的临水坡的稳定复核计算，应考虑设计水位降落时的反向渗透力及土体结合面浸水后的抗剪强度的降低。
汛期退水时应加强对临水面培厚加高堤段的观察。
（二）按复式堤型加高
1.粘性土斜墙复式堤
将原堤防按粘性土斜墙复式断面加高，其断面型式如图2－3所示。
图2－3背水面培厚加高的粘土斜墙复式堤断面示意
斜墙土料宜选择粘粒含量小于15～30％的亚粘土或粘粒含量小于30％～40％的粘土。
支承体宜选择最大粒径小于60mm级配较好的砂砾石。
粘性土斜墙底部应伸入原堤身1m，斜墙底宽约2～3m，具体可按接触渗径大于（1/4～1/3）的水头计算，顶宽1m，应高出设计水位0.5m。
砂砾石堤体的背水坡也应设置贴坡排水与反滤层。
反滤层的设计将在本节第二部分中介绍。
2.土工膜斜墙复式堤
以土工膜斜墙防渗、以砂砾石作支承体的复式加高断面如图2－4所示。
若采用单层PE或PVC膜，厚度约为0.4mm左右；若采用两布一膜型复合土工膜，膜厚约为0.2～0.3mm，膜两边的土工织物分别为200～250g/m2。
图2－4背水面培厚加高的局部土工膜斜墙复式堤断面示意
图2－5土工膜在粘性土中埋置示意
土工膜可埋置在原堤顶开挖的槽内，槽的形状尺寸见图2－5所示，膜与原堤土应紧密贴合，接触渗径应大于承受水头的1/4～1/3。
复合土工膜也应以单层膜的型式埋置在槽中，否则，带有透水织物的那一面就不能保证应有的接触渗径。
土工膜在堤顶应与防浪墙相连接。
若不设防浪墙，则可向背水面平铺50cm作封顶，土工膜上面为保护覆复层。
土工膜的技术要求将在本章第三节中介绍。
若原堤防土质疏松或土料渗透性大，也可将土工膜一直铺至堤脚，形成土工膜整体斜墙防渗，如图2－6所示。
（三）按防洪墙堤型加高
1.以混凝土或浆砌石墙加高土堤
图2-6背水面培厚加高的土工膜斜墙复式堤断面示意
城市堤防加高，往往因场地所限，采用防洪墙型式加高土堤。
防洪墙一般有钢筋混凝土挡土墙和浆砌石挡土墙两种型式，图2－7为南京市长江某堤段城市防洪墙加高断面①。
墙高一般不大于5～6m为宜，防洪墙布置在临水堤肩处，墙背水侧中下部填土作为堤顶路面，上部1.2～1.5m作为防浪墙，也可挡水。
防洪墙的稳定和强度应按挡土墙复核。
图2－7南京市长江某堤段城市防洪墙加高断面
（a）钢筋混凝土防洪墙加高土堤（b）钢筋混凝土防洪墙加高浆砌石防洪墙
图2－7由南京市水利规划设计院提供。
2.以混凝土墙加高防洪墙
防洪墙一般采用临水面加厚加高。
可在原浆砌石或砼防洪墙的临水面向内设置锚筋，直径约16mm，深度约60cm，间距约50cm。
然后在原防洪墙临水面现浇钢筋混凝土防洪墙，具体尺寸可根据实际情况按挡土墙计算确定。
图2－7（b）为钢筋混凝土防洪墙加高浆砌石防洪墙。
二、除险复堤布置
复堤往往是堤防除险加固的一项重要工作。
由于河道的裁弯取值，崩岸的退堤还滩和汛期溃口的复原，都需要进行复堤工作。
（一）断面选择与布置
1.断面结构型式选择
复堤断面的选择应循守安全经济、尽可能就地取材、尽可能与两端堤防断面结构一致的原则。
若堤线附近粘土或粉质粘土充足，可选择均质断面。
若堤线附近粘土或粉质粘土较少，可选择复合断面，以透水性较大的土石料作为堤支承体，以粘性土、土工膜作为防渗体。
防渗体的型式一般有心墙和斜墙两种，防渗体材料与型式的选择需经技术经济比较及与地基防渗型式统筹考虑确定。
心墙防渗体受地基不均匀沉降及地震作用等影响损害小，但其施工与支承体有干扰，工期相对长。
斜墙防渗体施工程序简单，速度快，在地基较好、地震烈度小的地区具有优越性，一旦防渗体受损害也易修复。
粘土等塑性材料与土工膜等柔性材料适应地基不均匀沉降的能力强于混凝土等刚性材料。
各种结构型式的堤身断面见图2－8。
①.有防洪墙
②.有防浪墙
③.无墙
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
图2－8各种结构型式的堤身断面
（a）均质堤断面单位：
cm,高程：
m；（b）土心墙堤断面示意；（c）土斜墙堤断面示意
（d）土工膜心墙堤断面示意；（e）土工膜斜墙断面示意
2.断面轮廓布置
（1）堤顶高程
堤顶高程的确定见本章第一节。
堤顶路面填筑物，如碎石、沥青、混凝土等不计入堤顶高程。
当堤顶设置稳定坚固的防浪墙时，墙顶高程即为设计堤顶高程，但土堤顶面高程应高出设计静水位0.5m以上。
一般土堤还应有堤高的3％～8％作为预留沉降量。
溃口段的堤高应从溃口最深处算起。
（2）堤顶宽度
规范规定，1、2级堤防顶宽不宜小于6m，应根据防汛、管理、交通、施工、构造及其它要求确定。
湖北、江西、江苏等地的重要长江干堤，堤顶宽在8m以上，荆江段准备加宽至12m。
黄河一些平工堤段顶宽8~10m，险工段顶宽10~12m。
应按实际需要间隔一段距离，在顶宽以外设置回车场、避车道、器材物料存放场，具体尺寸应根据各堤段实际需要确定。
（3）堤坡与戗台
堤坡应根据堤基、堤身结构与防护、土料及施工条件经稳定计算后确定，对于地基较好的粘土、粉质粘土均质堤，堤坡约为1:
3，复式断面的堤坡约为1:
2-1:
3；对于软基，堤坡约为1:
3-1:
5，甚至更缓。
堤高超过6m者，应在堤的背水面设置戗台，戗台高程应在设计水位时的渗流出逸点以上，顶宽应在2m以上。
实践证明，戗台对增加堤身稳定，排除散浸险情具有明显作用。
浸润线与渗流出逸点计算见第三章。
稳定计算及安全系数的选取见第四章。
堤顶与堤坡的防护结构见本章第四节。
（4）粘性土防渗体
防渗心墙或斜墙应高出设计水位0.5m，顶宽b按构造和施工要求应不小于1m，底宽B不小于设计水头的四分之一，即
B≥H/4（m）
（2-3）
b≥1（m）
（2-4）
式中H为防渗体底部所承受的设计水位时的水头，防渗体应与地基防渗土料或地基防渗体结合紧密，应有足够的接触渗径。
（5）土工膜防渗体
土工膜防渗常采用斜墙型式，其与堤体施工无干扰，铺设简便，施工速度快。
若采用复合土工膜，可直接铺设在砂砾石或砾卵石堤坡上，其上面可直接铺砼板或块石护坡，也可在复合土工膜与护坡之间铺设15～20cm厚的砾卵石过渡层。
若采用单层土工膜，则必须在砾卵石堤坡上铺厚20cm的砂砾石垫层，再铺单层土工膜，其上必须依次铺各厚15cm的砂砾石，砾卵石或碎石作为保护过渡层，最后铺设砼板或块石护坡。
土工膜与砂砾垫层，土工膜与保护层或护坡之间的稳定安全系数可用式（2－5）或（2－6）计算，Kgs值应大于1.5。
护坡或保护层透水性良好时:
Kgs=fgs/tgα
（2-5）
护坡或保护层透水性不良时:
Kgs=（γ'/γm）（fgs/tgα）
（2-6）
式中Kgs、fgs分别为土工膜与护坡或保护层之间的抗滑安全系数和摩擦系数；α为临水面堤坡角度；γ'、γm分别为护坡或保护层的浮容重和饱和容重。
采用土工膜作心墙，若选择复合土工膜，则可直接置于堤体中，若在砾卵石堤体中采用单层土工膜，则需在膜两侧各填筑厚25cm的砂砾过渡层。
（6）贴坡排水
当采用砂砾石作支承体时，在背水坡面的渗流出逸处以上30cm向下设置块石贴坡排水，厚约30cm，两种土石料之间，应设置反滤层，厚约20cm，如图2－9所示。
（7）反滤层
图2－9砂砾堤身的背水坡反滤排水示意
防渗体与堤体之间或地基土与堤体之间颗粒粒径相差较大时，以及砂砾堤坡的渗流出逸处，易发生渗透破坏，应设置反滤层。
反滤层通常可采用颗粒型或土工织物型反滤层。
颗粒型反滤层的层数与粒径大小需通过以下反滤设计确定。
对于被保护土为无粘性土时的第一层反滤料应满足下式：
D15/d85≤4-5
（2-7）
D15/d15≥5
（2-8）
对于被保护土为粘性土时的第一层反滤料应满足下式：
对于d85<0.074mm的粉土和粘土料:
D15≤9d85 （2-9）
对于d<0.074mm的颗料含量占40％～85％的砂质粉土和粘土，以及不均匀系数Cu较大的其它防渗土料
D15≤0.7mm （2-9）
式中D15为反滤料的特征粒径，小于该粒径的土占总土重的15％；d85为被保护土的特征粒径，小于该粒径的土占总土重的85％；d15为被保护土的特征粒径，小于该粒径的土占总土重的15％；d为被保护土的粒径。
将该反滤层作为被保护土，而将堤体砂砾石料或堤坡块石排水作为反滤层，若满足式（2－7）和式（2－8），则只需设这一层反滤层。
若不满足，则需设第二或第三层反滤层，直至满足式（2－7）和式（2－8）。
按构造与施工要求每层反滤层的厚度为20cm。
当堤防的防渗体、地基土为粘土而堤支承体为最大粒径小于60mm的砂砾石时，它们之间可不专门设置反滤层。
土工织物型反滤层的设计见本章第四节第二部分。
（二）复堤段与两端堤防连接
1.两端堤防的连接方式
（1）应将两端堤防的连接面挖成台阶状，两台阶之间以1:
3～1:
5以上的坡衔接，以利于分层压实。
（2）连接面可做成以临水坡堤角为支点向新堤段转角5°～10°形成的微斜面，有利于水压力作用下新老堤连接面的稳定，同时接触面的渗径也有所增加。
（3）溃口两端，应从清基后的刷深地基向上－坡到堤顶成为连接面。
2.不同结构断面的连接
（1）新堤土料防渗心墙或斜墙在连接段部位的断面应扩大为非连接段断面的3倍，与均质断面相连。
（2）新堤土工膜防渗斜墙应一直铺设至连接段末并再延伸6～8m。
（3）两端均质堤防的连接面应挖成台阶状并以1:
3～1:
5的坡衔接，以利于分层压实。
3.与培厚加高堤段的连接
（1）复堤段新堤应与两端培厚加高堤段的堤轴线保持一致。
（2）先完成两端培厚加高断面。
（3）再按上述连接方法进行堤段的连接。
（三）堤线选择的原则
退堤还滩和裁弯取直段的堤防需要新建，该段堤线的选择十分重要，一般应遵循以下原则：
1.应与河势流向相适应，并与大洪水的主流线大致平行，宜保留适当宽度的滩地。
2.尽量避开软弱地基，古河道，强透水层地层，应选择土质较好的地基填筑堤防。
3.堤线力求平顺，不同堤段间应以平缓曲线相连接，不宜采用折线或急弯。
4.同一河段两岸堤防的间距或一岸高地与一岸堤防间的距离应大致相等，不宜突然放大或缩小。
5.堤线所在范围应尽可能拆迁量少。
第三节堤身填筑技术要求
无论是在新堤线上建新堤防，还是培厚加高原堤防，都应按堤防工程施工的有关规范进行施工，严格控制堤身填筑质量，改变以往堤防工程施工质量难以控制和保证的局面。
一、清基
1.新堤或培厚部分的地基
（1）应将表层的石块、淤泥腐殖土、杂填土、泥炭以及杂物等清除干净，并将堤基平整压实，清基范围应超出设计边线50cm。
（2）堤基如有房基、孔洞应彻底清除，所有坑洼应按堤身要求分层压实填平。
2.溃口地基
在将溃口的抛填物全部清理干净，直至地基，并将地基表层厚30cm的土挖除。
3.特殊地基
软基、强透水地基应进行专门处理，见第五章。
二、土料及材料的选择与设计
（一）均质堤土料
筑堤材料就地取材，因材设计，沼泽土、富含未完全分解有机质的土料不宜采用，采用膨胀性土，分散性粘土应作专门论证，一般粘土、亚粘土都可作为筑堤土料，优先选用粘性含量15％～30％，塑性指数10～20，天然含水率接近填筑最优含水率的亚粘土。
要求不含砂、植物根茎、砖瓦、垃圾等杂物，浸水变形量小，渗透系数不大于1×10－4cm/s，按重量计，水溶盐含量不大于3％，有机质含量不大于5％。
填筑压实干密度ρds：
ρds=ρ·ρdmax （2-11）
式中ρ为压密度，1级堤防不应小于0.94；2级和高度超过6m的3级堤防不小于0.92；3级以下及低于6m的3级堤防不小于0.90；ρdmax为标准击实仪击实试验最大干密度（g/cm3），同时得出最优含水率wop。
最优含水率wop与最大干密度ρdmax可由两种方法得出，一是由标准击实试验得出，应尽量采用此法；二是通过以下公式计算，作为设计参考。
wop=wp+BIp （2-12）
式中wp为塑限含水率（％）；IP为塑性指数（%）；B为稠度系数，可采用0.2。
ρdmax=Gs（1-Va）/（1+Gswop） （2-13）
式中GS为土粒比重；Va为压实土的含气率，粘土为0.05，亚粘土0.04-0.03。
得出ρdmax值后，由式（2－11）可得到填筑压实干密度ρds，亦即设计要求达到的干密度。
如采用较轻的碾压机具，则应根据与施工碾压机具相应的击实试验或碾压试验曲线确定填筑干密度和最优含水率。
一定压实功能下的最大干密度与最优含水率对应，若实际填土含水率与填筑最优含水率有较大偏差，则在同样的压实功能下，就达不到设计填筑压实干密度，所以实际填土含水率与填筑最优含水率的差值，应不小于3％。
填筑含水率是土堤填筑施工前控制填筑质量的重要指标之一，填筑干密度是检查、控制填筑质量的主要指标之一。
（二）复式堤防渗体土料
防渗体土料应选择粘粒含量不大于30～40％、渗透系数不大于1×10－5cm/s的粘土，应不含杂质，水溶盐及有机质含量应分别小于3％和5％，天然含水率应接近填筑最优含水率。
（三）复式堤砂砾料
应选择耐风化，水稳性好，颗粒级配较好（连续性好，不均匀系数较大），透水性好，不易发生渗透变形，含泥量小于5％的砂砾石或砾卵石。
砂砾石、砾卵石填筑的设计指标用相对密度Dr表示，一般Dr应达到0.65，即中密程度。
其碾压设备尽量采用振动碾。
以相对密度Dr表示的填筑干密度ρd为：
ρdmax=ρmaxρmin/（（1-Dr）ρmax+Drρmin） （2-14）
式中ρmax、ρmin──分别为由试验得到的最大干密度与最小干密度。
（四）复式堤防渗土工膜
土工膜有单层土工膜与复合土工膜之分，常用的膜料材质是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）。
单层土工膜即仅有裸露的该层PE或PVC，复合土工膜则在PE或PVC的两侧或一侧粘合非织造针刺土工织物（俗称无纺土工布或无纺布），形成两布一膜或一布一膜的复合土工膜。
应优先选择复合土工膜，并且优先选择两布一膜型复合土工膜。
因为两侧的无纺布不仅对中间的防渗膜起保护作用，而且沿其平面具有一定的排水功能，此外，无纺布与土料的摩擦角一般大于膜与土料的摩擦角。
虽然复合土工膜的价格比单层土工膜稍贵，但从结构布置简单，施工便利、经久耐用的等方面综合考虑，采用复合土工膜是经济合理的。
堤防采用的PE或PVC膜料厚度范围为0.2～0.8mm，起保护、排水作用的无纺布的选取范围为150～400g/m2。
若采用复合土工膜，宜选择膜厚0.25～0.4mm，两侧无纺布各为200～300g/m2；若采用单层土工膜，宜选择厚度0.5～0.8mm。
三、土料填筑的技术要求
（一）堤身压实参数的选定
在堤防除险加固工程正式开工以前，应尽量按选择的施工机械安排压实试验，通过试验选定铺土厚度、土块限制尺寸、含水率的适宜范围、压实方法和压实遍数。
在无试验资料时，铺土厚度和土块粒径的限制尺寸可参照表2－3选用。
表2－3铺土厚度和土块粒径的限制尺寸
压实功能类型
压实机具种类
铺土的限制厚度（cm）
土块的限制粒径（cm）
轻型
人工
升级会员 