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砂礫石土筑堤技術(shù)在北汝河堤防治理工程中的應(yīng)用劉美義;金鑫【摘要】堤防是世界上最早廣為采用的一種重要防洪工程,筑堤是防御洪水泛濫、保護(hù)居民和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要措施。少占土地、就地取材是堤防工程設(shè)計(jì)的重要原則。對(duì)北汝河治理工程利用河床砂礫石筑堤技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了砂性土筑堤技術(shù)一般原則和應(yīng)該注意的問(wèn)題。% Dikeisanimportantfloodcontrolprojectadoptedfirstlyandwidelyallovertheworld,andembankmentisthemainmeasurefordefendingflooding,protectingcitizens,andindustrialandagriculturalproduction.Occupationoflessland,andadoptionoflocalresourcesareimportantprinciplesindikeengineeringdesign.TheadoptionofsandandgravelembankmenttechnologyontheriverbedofBeiruRivergovernanceprojectisstudied,andthegeneralprinciplesandproblemsdemandingattentionofsandysoilembankmenttechniqueareproposed.【期刊名稱(chēng)】《中國(guó)水能及電氣化》【年(卷),期】2012(000)009【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P35-39)【關(guān)鍵詞】砂礫石土;堤防;防沖;防滲【作者】劉美義;金鑫【作者單位】中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司,安徽省蚌埠市233001;天津水利電力機(jī)電研究所,薊縣301900【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TV871.11北汝河治理堤防工程的特點(diǎn)河南省北汝河是淮河流域沙潁河水系的主要支流,西南與沙河毗鄰,西北以伏牛山為界,東北與潁河相接。北汝河發(fā)源于伏牛山區(qū),流經(jīng)嵩縣、汝陽(yáng)縣、汝州、寶豐、郟縣、葉縣和襄城縣,干流河道長(zhǎng)250km,控制流域面積6080km2。北汝河在紫羅山以上屬山區(qū)河道,河道寬200~1000m,河床質(zhì)為卵石夾砂,河底比降1%~0.33%,河道比降較陡;紫羅山至襄城段為淺山丘陵區(qū),河槽驟然變寬,河道行洪寬度為1000~2000m,河床質(zhì)為卵石夾砂,河床比降0.30%~0.17%;襄城以下為平原區(qū),河道變窄,最窄處僅有100~200m,河床質(zhì)為砂,河道比降平緩。北汝河復(fù)雜的自然地理和水文特征造就了沿岸堤防的特點(diǎn):(1)河道堤防質(zhì)量差,防洪標(biāo)準(zhǔn)低,現(xiàn)狀砂堤難以控制洪水。建國(guó)以來(lái),北汝河未經(jīng)系統(tǒng)治理,兩岸現(xiàn)狀堤防長(zhǎng)約130km,但現(xiàn)狀堤防矮小、質(zhì)量差,防洪標(biāo)準(zhǔn)不足10年一遇。特別是上、中游堤防多采用砂礫石堆筑,因風(fēng)浪沖蝕體系已不完整,且許多地段無(wú)堤防,現(xiàn)存堤防高度1~3m,堤頂寬1~4m,堤防工程不達(dá)標(biāo);下游堤防雖較完整,多采用粘土筑堤,堤高4.5~5.0m,堤頂寬4~7m,但砂質(zhì)河岸險(xiǎn)工較多。汛期暴雨來(lái)臨時(shí)原有堤防難以約束峰高量大流急的洪水,河道漫堤行洪,嚴(yán)重威脅著沿河兩岸人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全。砂質(zhì)河床穩(wěn)定性差,主河槽游蕩不定,極易淘沖堤腳。北汝河干流無(wú)大型洪水控制工程,上游山區(qū)雨量不均,河道來(lái)水量變化過(guò)程復(fù)雜,各河段的比降變化大,河床內(nèi)亂掘地多,坑洼不平,河床形態(tài)復(fù)雜,造床流量范圍廣。因此北汝河上游段主流深泓經(jīng)常偏移,游蕩不定,甚至局部存在橫流現(xiàn)象,水流往往直逼堤腳,影響河勢(shì)穩(wěn)定;下游床道彎道多變,迎流頂沖造成灘地陡峭,形成了大量險(xiǎn)工段。(3)砂質(zhì)堤防防滲能力差,抗沖能力不強(qiáng),堤防防護(hù)困難。汛期洪水高水位時(shí),堤基、堤身滲漏,堤防邊坡失穩(wěn)、坍塌現(xiàn)象嚴(yán)重。河床寬闊,風(fēng)大浪急,砂卵石堤防自身防護(hù)性能差,風(fēng)雨侵蝕嚴(yán)重。2治理工程筑堤材料的選擇北汝河堤防工程級(jí)別為5級(jí),按照10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)治理。由于河道長(zhǎng),投資規(guī)模大,且涉及多個(gè)縣市,國(guó)家擬對(duì)河道治理按照輕重緩急分年度開(kāi)展,其中汝州段和郟縣河段堤防治理工程特點(diǎn)突出。汝州到郟縣段河道總長(zhǎng)55.70km,河床卵石層深厚,河道平均縱比降為2%。,屬寬淺式河道,主流散亂,現(xiàn)狀兩岸堤防結(jié)構(gòu)主要為砂卵石、漿砌河卵石,局部采用粉質(zhì)粘土、粘土筑堤,堤防不連續(xù),缺口多。治理工程重新規(guī)劃堤線,對(duì)部分堤段鏟除老堤新筑堤,部分堤段對(duì)老堤進(jìn)行加固。按照建筑材料,堤防可分為土堤、砂堤、石堤和混凝土堤四種,石堤、混凝土堤主要應(yīng)用于海岸、取土困難的城區(qū)段,造價(jià)高,因此本河道堤防不適合采用這兩種堤型。根據(jù)規(guī)范并參照已有工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),本河道堤防設(shè)計(jì)一般斷面堤頂寬6m(城區(qū)段堤頂結(jié)合交通需要加寬至10m),堤防高度5m左右,迎水坡坡比1:2.5,背水坡坡比1:2(城區(qū)段結(jié)合景觀邊坡1:5)。據(jù)統(tǒng)計(jì),北汝河新筑堤防總長(zhǎng)135.64km,填筑土方量約900萬(wàn)m3,加固堤防總長(zhǎng)132.14km,填筑土方量約400萬(wàn)m3,修筑堤防需要大量的土方量,若采用粘性土筑堤,將大量的征用土地。為保障我國(guó)的糧食安全,國(guó)家要求到2020年確保中國(guó)的18億畝耕地不變,占用大量農(nóng)田取土筑堤無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上還是政策上都是不允許的。同時(shí),北汝河河道內(nèi)砂卵石料豐富,就地取用河道內(nèi)的砂礫石填筑堤防是專(zhuān)家們的共識(shí)。規(guī)劃北汝河總計(jì)采用砂礫石筑堤土方量為1100萬(wàn)m3,占總筑堤方量的85%,其中汝州、郟縣總筑堤方量630萬(wàn)m3,將全部采用河床砂礫石土筑堤。為確保筑堤成功,對(duì)砂卵石筑堤采取切實(shí)合理的設(shè)計(jì)方案十分重要。3砂礫石堤防設(shè)計(jì)要素?fù)?jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和砂礫石土的散粒特征,北汝河現(xiàn)狀堤防損壞的主要形式為滲透破壞和水流沖刷破壞,因此做好砂礫石堤的防滲、防沖和防護(hù)設(shè)計(jì)是北汝河堤防設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。3.1防滲設(shè)計(jì)北汝河上游河道地貌單元屬?zèng)_洪積平原,河道及兩側(cè)堤基主要為砂卵石層,厚8~15m,卵礫石層厚度大,分布范圍廣,分選性差。在沖、洪積作用下,砂、卵石、礫石、漂石混雜,并夾有砂壤土和少量粘壤土,砂礫石層滲透性強(qiáng),抗沖刷能力低,堤基、堤身滲透系數(shù)Ax-2cm/s,允許水力坡降0.20,工程地質(zhì)條件分類(lèi)為C類(lèi)。對(duì)堤防典型斷面進(jìn)行滲流及滲透穩(wěn)定分析表明,無(wú)防滲措施情況下計(jì)算堤身、堤基計(jì)算水力坡降均大于0.20。堤身防滲比選了斜墻防滲和垂直防滲兩種方案,由于堤基砂卵石層較厚,采用垂直截滲深度大,造價(jià)高,汝州、郟縣段堤身防滲采用斜墻防滲,即在迎水面混凝土護(hù)坡下布置防滲體,防滲體采用重度500g/m2的復(fù)合土工膜,PE膜厚0.5mm,土工膜頂高程超過(guò)洪水位0.50m。堤基防滲比選了水平防滲和垂直防滲兩種方案,考慮北汝河上中游段洪水歷時(shí)短的特點(diǎn)以及便于施工,堤基防滲結(jié)合混凝土護(hù)坡鎮(zhèn)腳布置,采用垂直防滲,即將迎水面斜坡上的土工膜埋設(shè)于鎮(zhèn)腳底,深2.0m,詳見(jiàn)圖3.1。通過(guò)對(duì)設(shè)置防滲體的設(shè)計(jì)堤防斷面進(jìn)行滲透穩(wěn)定計(jì)算,計(jì)算水力坡降小于0.14,計(jì)算水力坡降小于允許水力坡降,堤身、堤基能夠滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定要求。圖2土工膜斜坡鋪設(shè)3.2防沖設(shè)計(jì)3.2.1堤腳防沖設(shè)計(jì)北汝河上中游河道造床流量范圍廣,砂卵石河床穩(wěn)定性差,主流擺動(dòng)經(jīng)常直逼堤腳。根據(jù)堤岸沖刷深度計(jì)算,堤腳沖刷深度達(dá)1.5m之多。為防止水流淘沖堤腳,堤防混凝土護(hù)坡下設(shè)置高2.0m、頂寬0.45m、底寬0.85m的直角梯形混凝土鎮(zhèn)腳,鎮(zhèn)腳頂高程與河床平齊。水流沖刷容易使得鎮(zhèn)腳前形成深坑,按照擋土墻理論計(jì)算鎮(zhèn)腳的穩(wěn)定性,在設(shè)計(jì)沖坑深度下鎮(zhèn)腳抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.0。為此,在鎮(zhèn)腳前設(shè)置底寬1.0m、頂寬3.4m、深2.0m的拋石防沖槽,防沖槽結(jié)合鎮(zhèn)腳基坑開(kāi)挖布置。由于汝州、郟縣段河道內(nèi)分布有大量的卵礫石,防沖槽采用河床內(nèi)的大粒徑卵礫石拋填,要求卵石粒徑大于100mm。3.2.2堤身防沖設(shè)計(jì)北汝河汝州至郟縣段10年一遇設(shè)計(jì)洪水流量3520~4420m3/s,水流流速高、風(fēng)浪大,這是造成北汝河兩岸堤防損壞的主要原因,因此必須對(duì)砂卵石堤迎水坡采取防沖措施。經(jīng)草皮護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡、混凝土護(hù)坡等多方案比選,汝州、郟縣城區(qū)段大堤迎水面采用C20現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡,護(hù)坡混凝土板厚0.12m,分塊尺寸4.0x4.0m。對(duì)于非城區(qū)段,堤身迎水側(cè)防沖采用格賓網(wǎng)防沖措施。格賓網(wǎng)箱內(nèi)就地取用河床的卵礫石填充,各箱體之間采用格賓材料鏈接形成整體。圖3堤身格賓護(hù)面3.2.3灘岸防沖設(shè)計(jì)北汝河許多堤段灘地較窄,中小洪水時(shí)主流貼岸沖刷,迎流頂沖,岸坡崩退速度快、控制難,許多地段已嚴(yán)重威脅堤防的安全,并對(duì)河勢(shì)發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。若不及時(shí)防護(hù),可能導(dǎo)致河勢(shì)進(jìn)一步惡化,給以后的治理工作帶來(lái)困難。以前治理時(shí)采用過(guò)砂礫石夕卜包混凝土丁壩等措施治理,治理效果差,丁壩因基出淘沖窩崩現(xiàn)象嚴(yán)重。本次治理上游段河槽水深度0.5~2m,主要采用格賓網(wǎng)護(hù)岸,坡比較緩的灘岸采用30cm厚格賓網(wǎng)護(hù)砌,岸坡陡直段采用格賓擋墻護(hù)岸。下游段水深7~8m,采用格賓網(wǎng)護(hù)岸施工難度較大,主要采用施工相對(duì)容易的拋石護(hù)岸,為防止拋石被水流沖走,拋石護(hù)岸底部設(shè)置一塊或數(shù)塊尺寸1.5x1.5x1.5m的格賓箱護(hù)腳。3.3堤身防護(hù)砂堤容易遭受雨雪侵蝕,工程經(jīng)驗(yàn)證明,未采取防護(hù)措施的砂堤上雨淋溝密布,滑坡、坍塌現(xiàn)象嚴(yán)重。為保證堤坡能夠植草護(hù)砌,堤防背水坡及迎水坡未采用護(hù)坡的堤面設(shè)置0.5m厚種植土保護(hù)層,種植土與砂卵石料同時(shí)填筑,然后在種植土上采用植草護(hù)坡。為保證堤身內(nèi)滲水及時(shí)排出,堤防背水坡堤腳耕植土防護(hù)層上可設(shè)置—定數(shù)量的砂卵石排水帶。局部堤段采用格賓護(hù)砌效果也較好。北汝河汝州、郟縣段卵礫石土筑堤技術(shù)利用透水性材料堆筑成形維持堤防的穩(wěn)定性,迎水側(cè)混凝土護(hù)坡下設(shè)置斜墻防滲體,與砂礫石面板壩的設(shè)計(jì)異曲同工。工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用了復(fù)合土工膜、格賓等新材料和新工藝,并且將防滲、防沖、防護(hù)三者有機(jī)結(jié)合,降低了工程造價(jià),加快了施工速度,提供了工程質(zhì)量。建成的北汝河大堤既形成了河道的防洪安全屏障,又取得生態(tài)環(huán)保效益,得到河南省北汝河沿岸人民群眾的普遍贊譽(yù)。圖4建成后的汝州北汝河大堤4主要結(jié)論砂卵礫石土具有滲透性大、粒料無(wú)凝聚力的特點(diǎn),砂礫石堤防必須采取一定的防滲和防護(hù)措施或?qū)χ滩牧狭线M(jìn)行改良。因河道主槽擺動(dòng),切實(shí)合理的灘地岸坡和堤腳防沖措施是確保砂卵礫石地基筑堤技術(shù)的重要內(nèi)容。采用河道清障

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