利用河道疏浚土方填筑堤防的技术研究

许长安（湖州市水利局水利水电工程质量监督站，浙江湖州 313000）

利用河道疏浚土方填筑堤防的技术研究

许长安
（湖州市水利局水利水电工程质量监督站，浙江湖州 313000）

根据已有的工程建设经验，针对东南沿海地区平原河网的特点，通过对河道疏浚土方物理特性的分析研究，在现有疏浚船的基础上，经过反复的试验，对疏浚机械和施工工艺进行了研制和创新，成功地解决了土质堤防筑堤的土料来源和河道疏浚土方的利用两大问题。并在工程实践中探索出适当的填筑控制措施及控制性指标。经在“治理太湖”国家重点水利工程——湖州市导流港拓浚等工程中的实践，取得了显著的经济效益和环保效益。继而在南浔区万里清水河道工程中推广应用，也取得了良好的效果。

疏浚土筑堤；污泥脱水方法；多功能挖淤机械；分期填筑；稳定分析

1 概 述

河道堤防建设需要大量的土料，且筑堤土料的质量有一定要求，例如在太湖地区要求的是含水量在20%～25%范围内的均质土料。但随着城镇化建设的推进，城市及新农村建设范围不断扩大，地方农田整治工程不断拓展，土地资源的控制日趋严格，使得水利工程使用的取土、堆土场地越来越难征用，成本也不断提高，导致场地征占费用超过工程建设费用的情况屡见不鲜。而且，河道疏浚造成的大量清淤土方又需堆放，借用场地的费用高，难度大。同时，清淤土方的堆放还会造成水土流失，引起生态环境失衡。它对土地及环境造成的不利影响，不是短时间内能够复原的。这种筑堤需要征地取土，而清淤土又无处堆放的矛盾局面在长江下游广大地区普遍存在。如何利用河道疏浚土方作为堤防筑堤土料，尽量少征（借）用现有的土地资源，是一个既具有经济效益，又具有重大社会与环保效益的研究课题。

欲解决这个课题必须首先研究好几个关键技术问题：①疏浚淤泥的脱水技术；②施工机械和工艺；③脱水淤泥的填筑标准和参数；④工程应用实例。下面将就上述几个内容分别进行叙述。

2 疏浚淤泥脱水技术研究

疏浚淤泥的特点是黏土颗粒含量多，含水量高，强度非常低。它一般均呈软塑状，甚至流塑状，车辆搬运非常困难。现有的方法是一般在疏浚土上岸后，仅进行简单的自然脱水，然后直接在预定堆场中进行堆填。因此，土中大量的水份就无法排出，这样的土根本无法用于筑堤，即使用于一般场地的填土，人与机械也无法在其表面行走，故一般只能弃之不用。若要真正用于筑堤，则需将疏浚土进行大面积铺晒，降低土的含水量，使压实机械能压实到要求的密度才能使用。按此方法处理，就需要大面积的翻晒场地，且工期很长，费用很高，现有的水利工程施工环境和工程的投资状况都无法做到。

为此，必须对现有的疏浚、脱水、上岸设备及工艺技术进行研究和改造。根据平原河网地区的实际情况，考虑充分利用现有的施工工程机械设备和已有的技术储备，针对水下疏浚土的物理特性，研制出了一种简易的河道疏浚、淤泥脱水与输泥的联合机械装置，如图1所示。其工作流程如下：河道中的淤泥由挖斗式挖泥船［1］疏挖，挖斗挖出的底泥放入由挖泥船拖动的脱水船，脱水船中装置了污泥格栅脱水设备进行第1次脱水，在输送设备船中再经隔栅2次脱水过滤。过滤后的泥浆经特制的挖斗送至污泥上岸脱水机械装置，联动循环机械装置将第3次脱水后的污泥输送至堤防填筑工地，以备使用。该机械装置处理能力为1 000 m3／d。

3 经脱水处理的疏浚土物理力学性质研究

在东苕溪导流港拓浚及东大堤加高加固工程试验区取土，做了大量的填筑土性质指标的试验。在该试验区的不同地点、不同时间分别选取了230组筑堤用疏浚土，进行了含水量及干密度的测定。试验表明，疏浚土经脱水上岸机械排入试验区后，平均含水量为40%左右，平均干密度为0．85 t／m3。在良好排水条件下，经自然固结90 d后，土的含水量可降低到25%，平均干密度可达到1．2 t／m3。根据试验数据绘制的试验段回填疏浚土含水量和干密度与时间的线性关系如图2所示。

图1 SL15030型疏浚泥上岸筑堤机械装置Fig．1 Dikefilled setup w ith the dredging m achine SL15030

图2 筑堤疏浚土含水量和干密度与时间关系曲线Fig．2 Duration curves of water content and dry density for dredged soil

疏浚土的抗剪强度与固结时间有关。不同固结天数的疏浚土抗剪强度试验指标见表1。

表1 筑堤疏浚土不同固结度的强度指标［2］Table 1 Shear strength indexes for dredged soil

4 苕溪防洪工程试验段简介

东、西苕溪防洪工程是太湖流域综合治理十项骨干工程之一。其中东苕溪导流港拓浚及东大堤加高加固工程全长28．6 km。东苕溪导流港工程的任务以防洪为主，结合灌溉、供水、排涝并兼顾航运和环保等要求，达到综合治理的目的。工程承担了导引东苕溪流域2 265 km2洪水入太湖、保护杭嘉湖东部平原城乡的防洪安全。试验区所在的东大堤防洪标准为百年一遇，堤防按1级堤防设计，导流港河底高程需挖深至－3．0～－3．5 m，河底宽度扩大到60～63 m。导流港工程水下土方采用机浚，东大堤筑堤采用老堤土与机浚土方结合，筑堤高程在5．7 m（1985国家高程基准），堤宽40 m，填筑土方量为466．0万m3。

5 试验段堤基的深层滑动分析及基础处理

试验段堤防是在老堤基础上加高筑成的，在采用疏浚土方进行填筑堤防的过程中，首先是要考虑填筑区基础的稳定问题，因为在大量填筑疏浚土时，极易诱发堤基产生深层滑动。为此，我们对试验段的导流港东大堤堤防基础，针对不同断面进行了深层滑动稳定分析，以确定在施工期堤防整体稳定安全系数［3］。

工程施工中，由于老堤地质条件较差，回填土料力学指标低，出现了6处塌方。堤防深层滑动稳定的一个重要影响因数是堤防下主要土层的土质情况。本地区堤防下0～－16 m高程处分布一层淤泥或淤泥质土，是控制大堤稳定的主要土层。不论采用优质黏土填筑还是疏浚土回填，在加高堤防的过程中都很容易引起深层滑动，造成堤防坍塌、滑坡等。因此防止堤防出现深层滑动是堤防稳定安全的一个基本保证［4］。

东苕溪导流港拓浚及东大堤加高加固工程中，对堤防深层滑动稳定进行了分析。根据设计洪水位下的正常情况和非常情况堤防稳定计算的结果，进行了部分断面的调整，对不够稳固的地段进行了软土地基的加固处理。具体采用了塑料排水板、真空预压、深层水泥搅拌桩、碎石桩等4种方法进行处理，解决了深层滑动稳定问题。调整后的断面见图3。对试验段堤防在断面调整并经过基础处理后又进行了稳定复核，其成果如表2。

上述计算成果表明，堤防的整体滑动稳定安全系数已能满足相应规范的要求，堤防基础不会出现深层滑动。

6 疏浚土筑堤的施工和稳定分析

在确保了堤防深层滑动稳定后，疏浚土填筑的堤身填土质量、基础清理、施工步骤、碾压机械、天气情况等方面又会影响堤身的浅层滑动稳定性。由于导流港工程填筑堤防高度约5 m，均为疏浚土方填筑，产生浅层滑动的可能性很大。

6．1 填筑断面

导流港工程依内外堤脚线设置纵向子堰，顺堤走向间隔一定距离设置横向子堰，形成区格子堰［5］。河道侧纵向子堰堰顶宽度为2～3 m、堰顶高程随填筑高程确定，两侧边坡为1∶1．5至1∶2；背水侧子堰顶宽1～2 m，两侧边坡为1∶2至1∶2．5，下游采用堆石排水棱体以利排水，其断面如图4所示。

图3 导流港东大堤调整后堤防断面Fig．3 Ad justed crosssection of East Dike

图4 疏浚土筑堤设计断面Fig．4 Design crosssection of the dike filled w ith dredged soil

6．2 填筑体一次性施工的稳定分析

按疏浚土一次性填筑5 m高度的梯形堤防进行稳定计算，其中疏浚土的强度采用快剪试验值，基础下土层按经过软土地基处理后的土层考虑，使得计算范围仅限于疏浚土填筑引起的浅层滑动的情况。根据试验段的试验和地勘资料，确定各土层的设计参数取值如下：回填疏浚土γ＝17．8 kN／m3，C快＝3．2 kPa，φ快＝3°，C固快＝8．4 kPa，φ固快＝15°；迎水侧纵向子堰（黏土新筑）γ＝18．0 kN／m3，C快＝10 kPa，φ快＝10°；背水侧纵向子堰（排水棱体）γ＝19．0 kN／m3，C快＝0 kPa，φ快＝40°；基础下土层γ＝17．3 kN／m3，C固快＝11 kPa，φ固快＝11°。

经计算，施工期抗滑稳定安全系数K仅为0．679，若按此方式填筑必然发生滑塌，无法填筑成1∶2．5的边坡，更无法将堤防加高5 m，因此必须改进施工方法，以保证填筑的可靠性。

6．3 施工方法的研究

上已指出，由疏浚土填筑的堤防若进行整体加载，相对高度通常在0．5～5．0 m之间将产生滑动。为此，根据导流港试验区段的成功试验，改变了施工方法，最终确定了“薄层轮加，分层碾压，分期填筑，逐步固结”的操作流程［6］，并在后续工程中加以运用。导流港东大堤工程的分期回填情况详见图5。

图5 疏浚土堤防分期填筑断面Fig．5 Crosssection of the soil dredged dike by stage construction

6．4 分期填筑断面的稳定分析

针对分期填筑中不同期间疏浚土的固结情况，分别进行稳定分析，以确定各分期堤防的浅层滑动稳定性。

第1分期加高1．5 m，第2至第3分期各加高1．0 m，第4分期加高0．5 m，根据现场试验情况及分组稳定计算，初步确定每分期间隔时间为30 d，共4个间隔时间段，加上填筑施工的时间，总工期约6个月左右。根据以往工程施工经验，本地区筑堤土方大约12个月左右沉降达到基本稳定，土体的固结基本完成。这时土的物理力学性质指标见表2。

经整体滑动稳定计算，采用分期加载方法施工，各时期的计算结果均能满足堤防稳定的最低要求，同时能满足施工期要求，详见表3。

因此，确定分期间隔时间为30 d，据此，对试验段施工进行控制，并在施工过程中对回填土特性指标（主要为含水量及干密度）进行分段检测。

表2 各典型断面迎水侧运行期抗滑稳定安全系数计算表Table 2 Stability safety factors against sliding of the dike for several typical crosssections in operation period

表3 分期加载各施工期抗滑稳定安全系数计算表Table 3 Safety factors of dyke stability for stageconstruction

6．5 填土的含水量及干密度控制

在试验区段施工过程中，在不同的位置和时间，对回填土的质量指标（含水量、干密度等）进行了大量的测试，共取得了230组疏浚土试样。

前已指出，疏浚土经脱水上岸机械排入试验区后，平均含水量为40%左右，在良好排水条件下，经自然固结90 d后，含水量可降低为25%，土体平均干密度可达到1．2 t／m3。由于施工中把30 d作为疏浚土脱水处理的一个基准时间，按此，在图2中可查出相应于30 d分期回填时疏浚土的含水量指标应为30%，相应的干密度为1．05 g／cm3。

在“薄层轮加，分层碾压，分期填筑，逐步固结”的施工中，以此指标来控制轮加、碾压、分期时间等具体过程。如果采用轮加、碾压筑堤，并按30 d分期自然排水后，土的干密度仍小于1．05 g／cm3，则应将土料再行返工翻晒处理，直至合格后再进行回填。

7 利用疏浚土筑堤的效果

在工程前期由于经验较少，当直接利用疏浚土填筑堤防时，部分堤防在施工期出现过险情，造成多处滑坡。后期改进了疏浚土筑堤技术，故填筑的效果良好，大部分堤防安全稳定，达到了设计要求。少部分堤防由于地基基础差，且系是老河道，故采用了塑料排水板、真空预压等软土地基加固处理技术，也取得了成功。

根据完工后运行期稳定复核的结果，直接采用疏浚土方筑堤的堤防段与经过塑料排水板、真空预压法等软基加固地基处理的堤防段相比，它们在运行期的稳定安全系数基本一致，可以认为直接采用疏浚土方筑堤是可行的，在施工工艺及技术手段上也有所创新。

疏浚土方筑堤技术具有无需占地、借地，能变废为宝，无二次污染，且节约投资等优点［7，8］。根据导流港东大堤工程的实践，能够节约50%～70%的投资，少占用近400 hm2农田，合计能节约2．39～3．63亿元资金。大钱港整治工程河道总长12．7 km，推广上述技术，共利用25万m3疏浚土筑堤，节约工程投资约1 100万元；南浔区万里清水河道共长1 200 km，约利用1 500万m3疏浚土方筑堤，节约工程投资约3．88亿元。因此该技术的经济效益是十分显著的。

8 结 论

（1）将河道疏浚土经过脱水降低含水量，然后用于堤防的填筑，既解决了筑堤填土的土源，少占用大量的农田，又可以变废为宝，免去了大片堆放废土的场地，因此利用疏浚土方填筑堤防不仅具有良好经济效益，更具有重大社会效益和环境效益。

（2）研制和开发了河道疏浚、淤泥脱水与输泥设备联合机械装置，采用这种淤泥脱水新技术，设备简单、施工方便、脱水效果较好，具有良好的推广前景。

（3）“薄层轮加，分层碾压，分期填筑，逐步固结”的疏浚土填筑施工方法具有安全、稳妥，易于控制的特点，可以为类似的工程参考使用，值得推广。

（4）根据本地区工程实践，工程投资可节约50%～70%，经济效益巨大。

［1］ 施永富．液压抓斗式挖泥船的施工方法［J］．中国水利，2006，（4）：32－33．（SHI Yongfu．Construction method of hydraulic clamshell dredger［J］．China Water Resources，2006，（4）：32－33．（in Chinese））

［2］ 邓东升，张铁军，洪振舜．河道疏浚废弃淤泥改良土的强度变化规律探讨［J］．防灾减灾工程学报，2008，28（2）：167－170．（DENG Dongsheng，ZHANG Tiejun，HONG Zhenshun．Undrained strength behavior of treated dredged clayswith quick lime［J］．Journal of Disaster Prevent and Mitigation Eng，2008，28（2）：167－170．（in Chinese））

［3］ GB50286－98，堤防工程设计规范［S］．（GB50286－98，Code for design of levee project［S］．（in Chinese））

［4］ 王保田，张福海．土力学与地基处理［M］．南京：河海大学出版社，2005．（WANG Baotian，ZHANG Fuhai．Soil Mechanics and Foundation Treatment［M］．Nanjing：Hohai University Press，2005．（in Chinese））

［5］ ?新良，沈一鸣，苟万祥．采用淤泥填筑施工围堰的探索［J］．浙江水利科技，2005，（1）：12－15．（CHU Xinliang，SHENG Yiming，GOU Wanxiang．Cofferdam construction by placing silt［J］．Zhejiang Hydrotechnics，2005，（1）：12－15．（in Chinese））

［6］ SL260－98，堤防工程施工规范［S］．（SL260－98，Code for construction of levee project［S］．（in Chinese））

［7］ 杨永荻，汤怡新．疏浚土的固化处理技术［J］．水运工程，2001，（4）：12－15．（YANG Yongdi，TANG Yixin．Dredged soils solidification treatment technique［J］．Port＆Waterway Engineering，2001，（4）：12－15．（in Chinese））

［8］ 张春雷，朱 伟，李 磊，等．湖泊疏浚泥固化筑堤现场试验研究［J］．中国港湾建设，2007，（1）：21－29．（ZHANG Chunlei，ZHUWei，LILei，etal．Field testof dike construction with solidified lake dredged material［J］．China Harbour Engineering，2007，（1）：21－29．（in Chinese） ）

（编辑：赵卫兵）

Construction Technology for River Dyke Filled w ith Dredged Soil

XU Changan
（Water Conservancy and Hydropower Projects Quality Supervision Bureau of Huzhou City，Zhejiang 313000，China）

Considering the situation of rivernet area in southeast coastal region of China，through the analysis of the physical characteristics of soil dredged in river，a new type of dredgingmachine was innovated and developed，which wasmanufactured according to the existing experience of design and construction ofwater resource projects in the area and many times tests．The dredgingmachine can solve twomajor issues，i．e．fillmaterial of a dike and utilization of soil dredged from riverbed．Meanwhile，the technology of dredging earthwork construction was also developed aswell．Themachine has been used to dredge soil in riverbed for dike construction successfully in Tai Lake harnessing projects and achieved great economical，social and environmental effects．And then，it was used in Nanxun river projects and obtained a good result aswell．

soil dredged dike；dewateringmethod of silt；multifunctional dredgingmachine；stage placement；stability analysis

TV851

A

1001－5485（2010）07－0051－05

20100312；

20100512

许长安（1960），男，浙江湖州人，高级工程师，主要从事水利水电工程研究，（电话）05722667988（电子信箱）xca866＠163．com。