堤防裂缝成因及加固设计方案研究

张树鹏

（辽宁省沈阳市辽中区农业技术推广与行政执法中心,辽宁 沈阳 110200）

0 引言

裂缝成因复杂，危害较大，通常会引起堤防的渗透变形，严重影响其结构强度和耐久性指标，折损工程的使用寿命和社会效益。加固区裂缝处理前应对裂缝实行动态监测，观测裂缝的位置、走向、几何数字特征和空间发育发展状况等[1]，结合勘探结果深入分析裂缝成因机理，有针对性地提出相应的解决措施。本文以辽中县浑河堤防裂缝治理工程为例对堤防裂缝加固设计方案进行探讨。

1 工程概况

1.1 浑河水情

辽中县浑河起源于抚顺市清源县境内的长白山支脉滚马岭。境内河长75.6 km，控制面积287.33 km2，其中耕地面积为26.32 万亩。浑河河道弯曲，平均比降为1/4000，黄腊坨以上较陡。河道横向变形剧烈，弯道塌岸速度年平均约20 m，河弯消长较快。岸滩上层为黏土、壤土。右岸在境内堤长为69.58 km，和辽阳县境内的左岸堤距为700 m～2300 m。平滩流量为600 m3/s～800 m3/s，河槽宽150 m～250 m。黄腊坨以上河幅较宽，最大安全泄量为4174 m3/s，枯水流量为 0.66m3/s，多年平均流量为44.5 m3/s。

1.2 堤防及裂缝现状

浑河辽中境内流长为75.61 km，右岸堤长69.94 km，堤防于1996 年汛前开始整治，1999 年竣工。入境处设计水位高程25.72 m（位于40 号大断面内），出境处设计水位12.09 m，设计水位比降1/4000～1/9000。堤顶安全超高1.5 m～1.7 m。堤防断面：堤顶宽6.0 m，迎水坡坡比为1∶2.5，背水坡坡比为1∶3.0。

2010 年先后有2 次洪峰到来，洪峰流量1690 m3/s，历时时间长，降雨量大且集中。汛期辽中总降雨量为499.8 mm，是常年的1.6 倍，致使筑堤土料物理性质发生不同程度变化，造成堤防局部段出现不同程度的裂缝、沉陷、滑坡等险情。

2012 年辽中洪峰流量最大为520 m3/s，由于新老堤防结合不利等因素造成堤防出现不同程度的裂缝、沉陷和滑坡等险情。裂缝宽在1 cm～20 cm，沉滑高差在3 cm～20 cm。裂缝深度最大达2.15 m左右。共计产生裂缝22 处，总长度8210 m。裂缝统计见表1。（按照破坏程度，将5 cm以下裂缝划分为一般裂缝，5 cm以上裂缝为严重裂缝）

表1 浑河大堤裂缝统计汇总表

2 裂缝检测及成因分析

浑河堤防产生裂缝后，在汛期遭遇雨水冲刷后，加剧了裂缝宽度和深度发展，严重威胁到浑河防洪堤的安全。通过典型断面挖探坑检测，裂缝深度为0.65 m～2.15 m，最大裂缝宽度为20 cm，裂缝走向均为纵向。

2.1 堤防裂缝检测

在辽中县浑河堤防上共选取6 个断面，在选定位置处挖取探坑探测裂缝深度、裂缝宽度和走向。检测结果见表2； 典型断面处裂缝形状见图1。

表2 堤防裂缝检测表

图1 浑河堤防横断面裂缝示意图及现状外观（桩号90+435）（尺寸单位：m）

2.2 堤防土方压实质量检测

在代表性位置探坑内按不同高程取样进行密度和含水率检测，并分别在堤防的迎水坡、背水坡的上、中、下3 个部位取样，进行密度和含水率检测，检测位置见图2。

图2 辽中县浑河堤防横断面土样检测位置

土方填筑压实质量检测过程中，共抽样检测45 组，合格39 组，合格率达86.7 %。实测土方填筑最大干密度ρdmax=1.69 g/cm3，最小干密度ρdmin=1.38 g/cm3，均值干密度ρd=1.53 g/cm3。粘土共抽样检测9 组，8 组合格，合格率达88.9 %。土方最大干密度ρdmax=1.47 g/cm3，最小干密度ρdmin=1.39 g/cm3，均值干密度ρd=1.45 g/cm3。

2.3 新老堤接合面抗滑稳定分析

根据工程实际情况，对堤防按以下两种工况采用理正计算软件完成抗滑稳定验算：

工况1：当迎水坡达设计水位时，计算稳定渗流背水坡的边坡稳定。

工况2：洪水消落时，临水坡面边坡稳定计算。

根据式（1）稳定渗流期有效应力法和式（2）水位降落期总应力法完成计算。

式中：l为单个土条的滑动面长度l=bsecβ（m）；b为条块宽度，m；W为条块重力，kN，W=W1+W2+W3+γwZb；Z为条块上方水位高出条块底面中点的距离，m；u为稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙水压力，kPa；ui为水位降落前堤身中的孔隙水压力，kPa；β为条块的重力线与通过此条块底面中点半径之间的夹角，°；γw为水的重度，kN/m3。

采取82+025 典型断面计算，设计水位取12.55 m，则迎水坡水深为4.9 m。结合面以及结合面以上覆土含有杂草等物使得土料指标降低，滑裂面采用新老堤结合面见图3，堤防抗滑稳定计算结果见表3。

图3 堤防新老堤结合面抗滑稳定计算示意图（82+025断面）（尺寸单位：m）

表3 堤防抗滑稳定计算结果表

由计算结果可知，按照《堤防工程设计规范》堤坡抗滑稳定不满足要求，所以需要及时治理新老堤结合面的滑移裂缝。

2.4 堤防裂缝产生原因

（1）辽中县浑河堤防是老堤通过加高培厚完成。堤坝厚度沿轴线方向不一，根据土体自然沉降量计算公式不同填筑厚度的土方沉降量在同一时段内随着填筑厚度增大而增大。根据堤防施工图可知，迎水侧新筑堤身厚度明显大于背水侧，沉降差异必然导致裂缝产生。

（2）2012 年汛期降雨集中，短时间内造成堤坝土体含水量陡然增大，导致堤顶产生裂缝。

3 裂缝加固设计方案

3.1 工程规模及设计标准

防洪标准50 年一遇，工程等级为2 级，堤顶宽6 m，堤防超高1.7 m。堤防设计过流能力4000 m3/s。筑堤材料为粉质粘土、壤土、细砂等，粘性土压实度不小于0.92。

本次设计范围包括浑河辽中段堤防的全部裂缝，桩号为69+000～94+900。其中裂缝总长度8210 m。

3.2 裂缝维修设计方案

3.2.1 土方重新压实（方案一）

（1）重点堤段：裂缝宽度5 cm以上的堤段。维修加固设计5 段重点堤段，裂缝长5440 m。开挖堤防顶至整治前的高程，清除裂缝所在堤段的表土50 cm，按加固设计方案重新填筑压实。

迎水坡护脚设计：为防止新老堤结合断面再次出现险情，拟在重点堤段迎水坡坡脚做戗台护脚以加强迎水坡抗滑稳定性，在护脚处做0.5 m清基处理，护脚尺寸5 m×1 m，回填土方压实。

（2）非重点堤段：裂缝宽度5 cm以下堤段，非重点堤段裂缝共计2770 m。该堤段表土清基50 cm，根据裂缝所在的位置，分布在两侧的裂缝将堤防开挖至裂缝底部并铲平，分布在单侧的裂缝则按阶梯断面开挖至裂缝底部，由裂缝处向安全侧挖掘1.0 m，阶梯台高0.3 m，阶梯台宽0.5 m，按照设计高程重新筑堤压实。

（3）堤身设计：设计参数应满足防汛和管理所需。保持堤身加固前后的结构、尺寸不变。

（4）筑堤材料及填筑标准：土料选清除根茎、杂质的亚黏土，粘粒含量15%～30%，塑料指数为10～20。土体含水率保持在最优含水率的±3%范围内，压实度不小于0.92。

（5）堤顶结构：根据施工、管理和防汛要求综合确定堤顶宽度为6 m，结合堤身材料、气象等条件等选用土堤路基铺筑堤顶路面。铺设200 mm厚砂石路基，100 cm厚砂石路面；堤顶坡度采用2%，向两侧倾斜。

3.2.2 灌浆填补裂隙（方案二）

采用灌浆填补裂隙方案，重要裂缝与一般裂缝均从顶面进行灌浆进行裂隙填补，灌至裂隙底部。

综上，由于方案一成熟可靠，并且有前期经验可以借鉴，同时施工方便投资节省，所以选取方案一为本次设计实施方案。

4 结语

堤防裂缝产生的成因复杂，施工质量不佳、遇特殊运行工况或设计瑕疵等均能导致裂缝产生和发展。在确定加固设计方案前应详细勘察了解裂缝性质，结合具体情况论证比选方案，从根本上解决隐患，确保堤防安全运行。