洞庭湖區(qū)蓄洪垸堤防加固工程水土保持措施與設(shè)計優(yōu)化

陶孜昀，賀偉琦，牛艷東

(1.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007； 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004)

洞庭湖區(qū)蓄洪垸堤防加固工程水土保持措施與設(shè)計優(yōu)化

陶孜昀1，賀偉琦1，牛艷東2

(1.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007； 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004)

洞庭湖區(qū)地勢平坦、土壤肥沃，現(xiàn)狀水土流失強(qiáng)度輕微，但其堤防加固工程造成的水土流失影響仍不可忽視?？偨Y(jié)了在堤防加固工程設(shè)計中，應(yīng)重視的水土保持措施：包括土石方合理調(diào)配以盡量減少棄渣；選擇合理的棄渣場，并因地制宜布置完善的攔擋、排水措施。同時，還從生態(tài)保護(hù)、節(jié)省投資角度，對主體護(hù)坡工程、堤基防滲工程提出優(yōu)化設(shè)計建議，認(rèn)為預(yù)制混凝土塊護(hù)坡厚度應(yīng)盡量切合實際，改變以往一直過于保守的狀態(tài)；采用水泥土防滲墻進(jìn)行堤基防滲，厚度可以減少為0.2m。

洞庭湖區(qū)； 堤防加固工程； 水土保持； 護(hù)坡工程； 堤基防滲

洞庭湖地處長江中游荊江河段南岸，是長江中游調(diào)蓄洪水的重要湖泊，是長江流域綜合防洪體系的重要組成部分。根據(jù)國務(wù)院批復(fù)的《長江流域防洪規(guī)劃》，洞庭湖區(qū)安排了24個分蓄滯洪區(qū)[1]。目前，各蓄洪垸普遍存在堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)低，堤身單薄、質(zhì)量差，堤基、堤身滲透變形和穿堤建筑物不均勻沉陷斷裂等嚴(yán)重問題，無法確保堤防防洪安全，需對各蓄洪垸堤防進(jìn)行加固。

堤防加固工程措施內(nèi)容一般包括：堤身加高培厚，堤身邊坡防護(hù)(草皮護(hù)坡、漿砌石或混凝土預(yù)制塊硬化護(hù)坡)，堤身堤基防滲(劈裂灌漿、壓浸平臺、水泥土防滲墻、填塘固基等)，堤腳拋石防護(hù)以及修建堤頂防汛道路、穿堤建筑物重建、加固等[2]。盡管工程區(qū)域地勢平坦、土地肥沃，現(xiàn)狀水土流失強(qiáng)度輕微，水土流失對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的危害程度較輕[3]。但考慮到工程區(qū)域人多地少，耕地資源相對不足，以及工程施工對東洞庭湖濕地保護(hù)區(qū)及湖區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，堤防加固工程建設(shè)過程中水土流失防治仍然很重要，尤其應(yīng)重視施工中棄渣的防治。

1 蓄洪垸堤防加固工程水土保持措施

1.1土石方平衡調(diào)配

工程土石方平衡調(diào)配是指根據(jù)工程開挖方和填筑方的情況，充分進(jìn)行縱向和橫向調(diào)配，使開挖方最大程度的得到利用，以減少棄渣量和從外取土量。棄渣和取土減少能有效的減少工程建設(shè)產(chǎn)生的水土流失。堤防加固工程中削坡土方是最主要的土方開挖來源。對于削坡土方的處理，施工專業(yè)通常認(rèn)為“堤防削坡是使新土方與老堤土方結(jié)合牢固而進(jìn)行的削坡和刨毛處理，削坡土方主要為含草雜土和淤泥質(zhì)土”，不適宜用作堤防加固填筑方。這樣的結(jié)果是，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的棄方和取土方，不僅會增加工程投資，也會造成更大的水土流失。

然而工程的實際情況是，大部分工程的削坡土方適宜用作堤防加固填筑方，或者用作其他用途，而不是全部作為棄方。判斷土體是否符合堤防填筑要求，關(guān)鍵是分析土體的物理力學(xué)指標(biāo)是否使堤防滿足邊坡穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定和地基變形的要求。對于堤防邊坡穩(wěn)定和堤基形變，涉及土的物理力學(xué)指標(biāo)是土體重度和抗剪強(qiáng)度(內(nèi)摩擦角φ、凝聚力C)，土的滲透系數(shù)是決定滲透穩(wěn)定的指標(biāo)。因此，可以通過選取典型堤段，在設(shè)計洪水情形下，通過計算分析采用削坡土方填筑后，以確定堤防是否滿足上述要求。洞庭湖大部分蓄洪垸設(shè)計證明，削坡土方除少量含草根雜土不適宜用作堤身填筑外，其余均能夠使堤防滿足邊坡穩(wěn)定、滲流穩(wěn)定和堤基變形的要求，堤身削坡料用于填筑是可行的。

1.2棄渣場防護(hù)措施

1.2.1 棄渣場位置選擇 工程土石方經(jīng)合理調(diào)配后，仍會產(chǎn)生棄渣，由于堤內(nèi)地勢平坦，將棄渣棄在大堤內(nèi)的護(hù)堤地合適。首先，本工程堤內(nèi)坡腳劃定10m寬的護(hù)堤地作為堤防的管理范圍，護(hù)堤地屬于工程永久征地范圍，不會新增棄渣占地；其次，護(hù)堤地較平坦，一面緊靠堤防內(nèi)坡，棄渣堆放在護(hù)堤地上便于防護(hù)，只需在外側(cè)進(jìn)行一般攔擋就可以滿足穩(wěn)定要求；最后，棄渣堆放在護(hù)堤地不會影響堤防的正常功能，堤防沿線均設(shè)置護(hù)堤地，面積大，棄渣沿線攤薄后，平均堆高小于1.5m，不會對堤防防滲和地基穩(wěn)定造成影響。

1.2.2 棄渣場防護(hù)措施 棄渣場的防護(hù)措施主要是排水措施和攔擋措施。

(1)排水措施。棄渣堆放在堤內(nèi)緊靠堤腳的護(hù)堤地，面臨堤防邊坡匯水的沖刷，應(yīng)在堆渣面與邊坡交界處，沿堤防縱向布設(shè)截水溝，攔截堤防邊坡匯水。由于堤防高度不同，從而邊坡匯水量的大小不同，對棄渣造成沖刷的效果也不同。根據(jù)對洞庭湖區(qū)同類堤防工程邊坡匯水的調(diào)查，一般當(dāng)?shù)谭栏叨刃∮?m時，邊坡匯流沖刷作用不很強(qiáng)，通過灌木和草皮的分散消減，基本對棄渣不會造成明顯的侵蝕作用。當(dāng)?shù)谭栏叨却笥?m時，在堤防內(nèi)坡堤頂以下5m設(shè)3m寬平臺，坡面匯流作用明顯，應(yīng)考慮布設(shè)截水溝攔截邊坡匯水。

截水溝設(shè)計流量按下式計算

QB=0.278·kiF

式中：QB——最大清水洪峰流量(m3/s)；

k——徑流系數(shù)，取0.8；

i——平均1h降雨強(qiáng)度(mm/h)；

F——邊坡集水面積(km2)。

經(jīng)過計算，小于0.1m3/s，根據(jù)經(jīng)驗判斷采用矩形斷面可滿足排水要求，經(jīng)過驗算采用底寬0.3m、溝深0.3m的矩形斷面適合。為了減少截水溝開挖對堤防坡腳的破壞，以及保持堤內(nèi)景觀效果的一致性，截水溝使用土溝，采用高密度聚乙烯膜(HDPE)防滲。HDPE土工膜具有良好的防滲效果，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，施工簡便，使用壽命可達(dá)50年，在渠道防滲工程中普遍使用。截水溝在棄渣前進(jìn)行施工。施工時，先將截水溝的底部和側(cè)邊夯實，再鋪土工膜，土工膜采用全鋪式，兩側(cè)留出10cm的邊緣嵌入土中，最后在溝底土工膜上鋪設(shè)草皮，使外觀上看上去全是綠色。

(2) 攔擋措施。護(hù)堤地外側(cè)一般為房屋和農(nóng)田，棄渣堆放在上面，如果不進(jìn)行攔擋，將流失到護(hù)堤地外，影響附近居民的生產(chǎn)生活。護(hù)堤地表面平坦，堆渣平均堆高1.5m，相當(dāng)于平地堆渣，可以借鑒水平蓋重吹填圍堰的形式，采用填筑土埂進(jìn)行攔擋，這樣可以節(jié)省工程造價，同時維持良好的生態(tài)景觀。

設(shè)計的土埂采用梯形斷面，頂寬1m，高1m，內(nèi)外側(cè)邊坡均為1∶0.5，填筑土方直接采用工程棄料，采用打夯機(jī)夯實。為了防止雨滴對土埂的擊濺侵蝕，在土埂坡面和頂部鋪設(shè)草皮進(jìn)行防護(hù)，草種選用與堤防護(hù)坡草皮相同的假儉草。土埂的排水與水平蓋重的吹填圍堰相同，每200m設(shè)1處開敞溢流式退水口，采用粘土麻袋和彩條布保護(hù)，與現(xiàn)有外側(cè)排水溝渠連接。

2 主體工程的水土保持設(shè)計優(yōu)化

2.1護(hù)坡工程設(shè)計優(yōu)化

護(hù)坡工程是重要的防治堤防坡面徑流侵蝕的工程。大多數(shù)蓄洪垸堤防加固工程設(shè)計中采用混凝土六方塊護(hù)坡，厚度統(tǒng)一取0.1m，此值偏于保守，源于采用了偏于保守的計算公式(公式1)[4]。

(1)

式中：t——砼板的厚度(m)；

η——系數(shù)；

B——沿斜坡方向的護(hù)面板長度；

r——水容重；

rb——混凝土容重;

H——計算坡高；

L——坡長(m)；

m——斜坡坡率。

在湖區(qū)設(shè)計洪水情況下，公式計算出預(yù)制混凝土六方塊護(hù)坡厚度為0.076m。該計算公式來自《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286-98)，計算結(jié)果大于模型試驗結(jié)果，因為該公式是基于 “浮托平衡條件” 導(dǎo)出的，而在公式的推導(dǎo)過程中并未考慮摩擦力、透水性等因素的影響。同時，由于考慮到混凝土六方塊運(yùn)行時整體性難以保證，整體破壞后會出現(xiàn)靠單個體抗風(fēng)浪的情形，此時要求厚度相對較厚[5]。因此，建議設(shè)計枯水位以上0.5m(當(dāng)?shù)掏饽_高程高于設(shè)計枯水位以上0.5m時取堤腳高程)至設(shè)計洪水位高程坡面采用0.1m厚，設(shè)計洪水位至設(shè)計堤頂高程坡面采用0.8m厚。

2.2水泥土防滲墻設(shè)計優(yōu)化

水泥土防滲墻的防滲原理是利用防滲墻極低的滲透系數(shù)，延長滲流的滲徑，從而減小滲透力，達(dá)到堤基滲流穩(wěn)定的目的。從滲流理論上分析，防滲墻滲透系數(shù)和墻體厚度，一起決定了防滲墻的防滲效果，因而滲透系數(shù)和墻體厚度是防滲墻重要的設(shè)計指標(biāo)。公式實際計算值為0.2m，水工專業(yè)設(shè)計確定水泥土防滲墻厚度為0.3m。計算時采用的最大作用水頭10m，根據(jù)洞庭湖區(qū)的統(tǒng)計，這樣高的水頭很少出現(xiàn)。同時，目前的施工技術(shù)也能達(dá)到0.2m厚要求。在1999—2000年長江重要堤防險工段加固處理中，采用小直徑攪拌工法施工完成的0.2m厚的防滲墻，具有良好完整性和防滲效果[6]。同時0.2m厚墻體單價比0.3m厚墻體單價要節(jié)省25%左右。綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素，堤基防滲水泥土防滲墻厚度設(shè)計指標(biāo)為0.2m。

3 討論

洞庭湖區(qū)蓄洪垸堤防加固工程應(yīng)重視土石方調(diào)配，盡量充分利用挖方減少棄渣數(shù)量，同時選擇堤內(nèi)護(hù)堤地范圍作為棄渣場，布置邊坡截水溝和外側(cè)土埂，防止棄渣產(chǎn)生水土流失。從生態(tài)保護(hù)、節(jié)省投資角度分析評價，預(yù)制混凝土塊護(hù)坡厚度應(yīng)盡量切合實際，改變以往一直過于保守的狀態(tài)；采用水泥土防滲墻進(jìn)行堤基防滲，厚度可以減少為0.2m。

[1] 國務(wù)院.《長江流域防洪規(guī)劃》國函 〔2008〕 62 號批復(fù)[R].2008.

[2] 湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院.湖南省洞庭湖區(qū)西官垸堤防加固工程可行性研究報告[R].2009.12.

[3] 湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院.湖南省洞庭湖區(qū)西官垸堤防加固工程水土保持方案報告書[R].2010.2.

[4] 國家技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部. 堤防工程設(shè)計規(guī)范GB50286-98.[M].北京：中國計劃出版社，1998.

[5] 黎李剛，何廣水，周哲華. 長江中下游堤防加固護(hù)坡工程問題[J]. 水利水電快報，2005,26(16):7-8.25.

[6] 張家發(fā)，孫厚才，焦德秀. 堤防加固工程水泥土防滲墻設(shè)計指標(biāo)初步討論[M]//長沙重要堤防隱蔽工程建設(shè)管理局，長江科學(xué)院.長江護(hù)岸及堤防防滲工程論文選集，長江護(hù)岸工程(第六屆)及堤防防滲工程技術(shù)經(jīng)驗交流會論文集.北京：中國水利水電出版社，2001.

SoilandwaterconservationengineeringanddesignoptimizationadviceforleveereinforcementprojectinDongtingLakeregion

TAO Ziyun1, HE Weiqi1, NIU Yandong2

(1. Hunan Hydro & Power Design Institute, Changsha 410007, China; 2. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

There is flat terrain and fertile soil in Dongting Lake region and the present soil erosion intensity is slightly; however, the influence on local ecological environment caused by soil and water loss of levee reinforcement project should not be neglected. Some important soil and water conservation measures that shall be adopted in levee reinforcement project are summarized, which include rational distribution of earthwork resulting in reducing abandoned earthwork, and design dumping yards in proper locations with correct retaining and drainage measures. Meanwhile, advice on optimizing principal engineering designs are put forward from the perspectives of environmental-friendly and cost-saving, which concludes that the conservative design of using precast concrete block for slope protection should be changed, and the thickness of cement-soil cutoff wall for seepage control of levee foundation can be reduced to 20cm.

Dongting Lake region; levee reinforcement project; soil and water conservation; slope protection engineering; seepage control of levee foundation

2011-09-07

2011-09-21

陶孜昀(1980-)，女，湖南省長沙市人，主要從事環(huán)境影響評價、水土保持設(shè)計、環(huán)境保護(hù)設(shè)計方面的研究。

S 157.2

A

1003-5710(2011)05-0048-03

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2011. 05. 012

(文字編校：楊 駿，龔玉子)