粉細砂筑堤處理方案探討

董 軍

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

0 前 言

遼河流域素有“東水西沙”之稱，西部支流隨洪水下泄泥沙淤積在遼河兩岸，是遼河沖積平原形成的主要原因，追根溯源，泥沙又主要來自于蒙古高原，水流侵蝕以及風蝕將蒙古高原上大量的粉細砂特別是顆粒更細的粉砂搬運至遼寧省西北部和遼河流域的大部分地區(qū)。

遼河干流堤防系統(tǒng)建設于上世紀末，標準偏低，無法滿足《遼河流域防洪規(guī)劃》需求，需要進行提標治理，由于加固線路較長，在滿足工程結構安全的前提下，控制工程投資也非常重要，因此加固堤防就地取材，采用河灘地粉細砂筑堤就成為必然的選擇。但依據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》GB50286，粉細砂筑堤需采取相應處理措施以確保工程安全。

1 工程概況

1.1 地質概況

遼河兩岸地層以新生界地層為主，第四系地層沉積連續(xù)，層序齊全，成因復雜，分布廣泛，厚度大；遼河上游汎河地層小區(qū)分布有元古界、古生界、中生界等地層。從上游東西遼河匯合口至下游盤錦入?？?，總體地勢呈北高南低，從上游至下游地貌形態(tài)成因類型依次為剝蝕丘陵渾圓狀低丘Ⅲ2-3-2(康平～法庫)、沖洪積平原緩傾斜高地Ⅲ3-1-1(法庫～新民)、沖洪積平原河間平地Ⅲ3-1-2及沼澤化洼地Ⅲ3-1-3(新民～臺安)、沖海積平原濱海洼地Ⅲ3-2(盤錦)等。從上至下第四系沉積厚度逐漸增厚，尤其進入盤錦市區(qū)，覆蓋層地層急劇加厚；結構層次上從簡單逐漸過渡到復雜；巖性在水平方向上基本上是由粗變細，由級配不良砂、含細粒土砂為主層，變至以含細粒土砂、粉土質砂為主層，最后變成黏性土和含細粒土砂互層。下游黏性土和含細粒土砂筑堤不是文章研究范圍，文章主要研究上游粉細砂及細砂筑堤。

遼河河灘地粉細砂及細砂的基本物理力學指標為：滲透系數(shù)K=1-4×10-3cm/s，內摩擦角φ=22°-24°，凝聚力c=0.1-0.3kPa，天然重度在1.5-1.55 g/cm3，壓實后重度可達1.7g/cm3以上，臨界水力比降Jcr =0.8-0.9(二級堤防安全系數(shù)為2.0)。

1.2 堤防概況

遼河全河兩岸堤防總長度超過600km，其中絕大部分低于規(guī)劃標準，石佛寺水庫以上低于標準比例超過80%，是這次研究的主要對象。石佛寺水庫以上堤防除有少部分為鐵嶺城市段達標堤防外，其余均為農村段堤防，現(xiàn)狀堤防(建設)標準為20-30a一遇，規(guī)劃標準為50a一遇。本段堤防平均高度在4.5-6.5m，堤前設計水深一般在3-4.5m，堤前堤后地面高程基本相當，局部有深坑不連續(xù)?，F(xiàn)狀堤防(建設)頂寬基本為6m，迎水邊坡1∶2.5，背水邊坡1∶3.5或1∶5，經多年沉降，堤防壓實度接近規(guī)范標準，無大范圍鼠洞蟻穴，堤防建成后近30年間未發(fā)生潰堤、漫堤等情況，堤身管護情況尚可，護堤林及防浪林缺失較為嚴重。

現(xiàn)狀遼河堤防迎背水均設置有護堤地，但護堤地土地產權情況有一定爭議；護堤地寬度臨水側一般有50m，背水側20m，護堤地范圍內均栽種有楊樹、柳樹、榆樹等喬木，屬性一般為經濟林，臨水側局部被劃定為公益林。

2 處理方案比選

根據(jù)相關資料及現(xiàn)場調研，目前國內粉細砂筑堤處理方案有工程案例且經過多年運行(部分未受水)效果尚可的包括(但不限于)：臨水擋墻+防滲措施、臨水防護+背水排水措施、臨背水放緩邊坡措施、加大堤身斷面措施、兩側擋墻+中間加筋連接措施、黏土鋪蓋即金包銀措施、土工織物+邊坡防護措施等。其中由于臨水擋墻+防滲措施、臨水防護+背水排水措施工程造價過于昂貴，對于經濟欠發(fā)達的遼河兩岸適用性不高；臨背水放緩邊坡措施、加大堤身斷面措施均需要占用大量耕地和砍伐大量林木，從目前節(jié)約土地和保護生態(tài)環(huán)境的大形勢下，方案可行性較低，因此以上4種型式不建議在遼河治理中采用，不對以上4種型式做進一步分析，僅對兩側擋墻+中間加筋連接措施、黏土鋪蓋即金包銀措施、土工織物外包+邊坡防護措施等3種型式進行優(yōu)缺點比較分析，并結合遼河特點說明各種型式的適用性。

2.1 兩側擋墻+中間加筋連接措施

該種工程型式為利用兩側擋土墻之間的筋帶，將兩側擋土墻連接成一個整體，通過墻厚墊無紡布防止土粒從擋墻之間縫隙流出，對抗土體及其上荷載產生的橫向拉應力，主要依靠兩側擋土墻之間的筋帶，目前隨著材料技術的不斷進步，加筋材料從結構強度、耐久性、工程造價等各方面均具有很強的競爭力，國內很多工程中采用了單側擋墻和雙側擋墻加筋的型式，運行效果也較為理想，結構示意圖見圖1。

圖1 兩側檔墻+中間加筋結構圖

該型式優(yōu)點主要有三點，一是節(jié)省占地，由于直立擋墻不需要放坡占地，相同頂寬情況下，占地只相當于其他型式的1/2-1/3；二是節(jié)省土方，相比于傳統(tǒng)均質斜坡土堤，其土方用量可節(jié)省1/3以上；三是材料采購難度低，建筑材料工業(yè)化程度高，加筋材料生產工藝難度低、產量高，兩側擋墻砌塊目前各地均有大量企業(yè)生產，供應量充足。缺點主要為兩點，一是堤頂抗重載車輛通行能力低，由于兩側砌塊結構強度限制及施工水平限制，堤頂兩側各1m范圍內通車特別是重載車輛，易對擋墻結構產生破壞，堤頂一般僅限中小型車輛通行；二是不適合加高超高1.2m的堤防，由于兩側均為直立式擋土墻，加之農村段堤防兩側均設置護欄的可行性不高，堤頂車輛及行人的通行安全必須作為設計結構的考慮要素之一，過高的擋墻易給脫離堤頂車輛及行人嚴重墜落傷害。

2.2 黏土鋪蓋即金包銀措施

該種工程型式核心為利用黏性土料的抗沖性能和抗剪切能力，在粉細砂堤身外包一定厚度的粉質黏土，在不大范圍增加堤防邊坡的情況下，降低堤身滲流量和浸潤線高度。同時利用粉質黏土凝聚力較高的特點，解決背水邊坡滲流破壞問題和臨水邊坡滑動破壞問題。遼河、柳河、繞陽河等現(xiàn)狀堤防部分采用了此種型式，多年來運行效果較好，且由于粉質黏土對生態(tài)恢復較為有利，比較符合目前生態(tài)治河的總體形勢。結構示意圖見圖2。

圖2 黏土鋪蓋結構圖

該型式優(yōu)點主要有2點：①生態(tài)自然，建筑材料全部為天然建材，無化工材料，對周邊環(huán)境無污染，且有利于坡面植被生長；②結構安全穩(wěn)定有保障，工程案例較多且經過實際檢驗，在對抗洪水沖刷和風剝雨蝕中效果均較為突出，目前尚無該型式滲流及穩(wěn)定破壞的相關報道。缺點主要為兩點，一是黏性土料缺乏，遼河兩岸包括保護區(qū)內黏性土料均較為缺乏，遼河幾百萬立的堤防加固土方用量致使料場尋找極為困難；二是土料場開采對環(huán)境和土地影響方面較難通過行業(yè)許可，由于黏性土料場多數(shù)為耕地，少數(shù)荒地儲量有限，目前國家加大對環(huán)境破壞的監(jiān)察力度和耕地保護力度，大量占用耕地作為筑堤土料場審批難度較大，同時料場開采后耕地恢復費用也比較高。

2.3 土工織物+邊坡防護措施

該種工程型式主要利用土工織物的包裹加強作用，提高粉細砂穩(wěn)定邊坡，并采用硬性防護防止堤坡洪水、雨水沖刷及春秋季節(jié)植被覆蓋率較低時的風剝侵蝕。結構上與兩側擋墻+中間加筋連接措施有相通之處又有較大差別，其中利用硬性工程防水沖、風剝的原理是相通的，但硬性防護工程的穩(wěn)定原理又是截然不同的，兩側直立擋墻的穩(wěn)定除依靠重力作用外，幾乎全部依靠中間筋帶的牽拉作用，而土工織物+邊坡防護中的硬性防護本身是處于穩(wěn)定邊坡狀態(tài)，也就是內部的土工織物與護坡可以是相連的，也可以是獨立的。另外，由于該種型式的邊坡一般均在1∶2以上，因此堤頂通行安全方面有了較大的改善，使得該型式可以適用于不同堤防高度的堤型選擇上，適用范圍有了較大的提高。結構見圖3(繞陽河新民市段)。

圖3 土工結構+邊坡防護結構圖

該型式優(yōu)點主要有兩點，一是相對節(jié)省工程占地和筑堤土料，相對于一般土堤放坡(≥1∶3.5)以解決穩(wěn)定問題，該種型式邊坡可以依據(jù)需要在1∶2以上任意選擇，節(jié)省了堤身占地和筑堤土料；二是迎背水兩側防護確保堤身斷面多年完整，該典型工程處于風剝段，在此之前一般土堤建而復損、損而復建多次，幾乎兩三年時間新筑堤防就有大半受損，但本工程建成后至今十幾年以來堤身斷面完好。缺點一是由于兩側均為硬性防護，生態(tài)效果不佳，與周邊環(huán)境融合性較差；二是工程單體投資相對較高，土工織物從上至下分布增加一定投資，兩側硬性防護又在原基礎上增加一定投資，據(jù)初步估算，相比于一般土堤工程投資增加1/2左右，對于大范圍應用是明顯的制約[1]。

3 結 語

1)遼寧省經濟整體發(fā)達程度較南方省份差一些，因此工程治理的投資在方案設計中較為敏感，設計人員在方案比選時確保結構安全前提下，務必將經濟指標放在重要位置。

2)遼寧地形特點可歸結為東南部多山區(qū)、西北部多丘陵、中部基本為平原，其中西北部丘陵地帶及中部平原的大部分地區(qū)，地表覆蓋主要以粉土和粉細砂為主，河流兩岸黏性土料很少，地質構造特點決定了就地取材，采用粉細砂筑堤是很多地區(qū)無法回避的問題，設計人員的任務是研究如何在經濟較為合理的情況下利用粉細砂筑堤，確保防洪安全、生態(tài)友好。

3)介紹的幾種粉細砂筑堤型式包括粉細砂改性等在全國和省內均有不少案例，效果也不盡相同，研究重點是應用于遼河的堤防加固，依據(jù)遼河的實際特點選用適合的型式是確保工程效果的關鍵。

4)根據(jù)遼河堤防加固和運行需求特點，建議結合各方案優(yōu)勢，探索采用土工織物外包粉細砂+覆蓋耕植土(清基土改良)型式的可行性，遼河堤防欠高欠寬數(shù)值均不特別高，風剝雨蝕程度也相對較輕，同時遼河堤防寬闊，除個別主流近堤段以外，堤前流速不大，水流相對平穩(wěn)，因此有必要采用硬性護坡的范圍不大，多數(shù)可采用生態(tài)性更好的耕植土覆蓋護坡。堤防加固產生大量清基土，清基土中富含植被根系，根據(jù)其特點輔以必要的改良藥劑和有機肥料，即可作為護坡耕植土，在降低護坡土料開采工程造價的同時還能減少清基土外運量，節(jié)省工程投資和減少環(huán)境破壞[2]。