砂礫石土筑堤技術(shù)在北汝河堤防治理工程中的應(yīng)用

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