洞庭湖区蓄洪垸堤防加固工程水土保持措施与设计优化

陶孜昀，贺伟琦，牛艳东

(1.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007； 2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004)

洞庭湖区蓄洪垸堤防加固工程水土保持措施与设计优化

陶孜昀1，贺伟琦1，牛艳东2

(1.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007； 2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004)

洞庭湖区地势平坦、土壤肥沃，现状水土流失强度轻微，但其堤防加固工程造成的水土流失影响仍不可忽视。总结了在堤防加固工程设计中，应重视的水土保持措施：包括土石方合理调配以尽量减少弃渣；选择合理的弃渣场，并因地制宜布置完善的拦挡、排水措施。同时，还从生态保护、节省投资角度，对主体护坡工程、堤基防渗工程提出优化设计建议，认为预制混凝土块护坡厚度应尽量切合实际，改变以往一直过于保守的状态；采用水泥土防渗墙进行堤基防渗，厚度可以减少为0.2m。

洞庭湖区； 堤防加固工程； 水土保持； 护坡工程； 堤基防渗

洞庭湖地处长江中游荆江河段南岸，是长江中游调蓄洪水的重要湖泊，是长江流域综合防洪体系的重要组成部分。根据国务院批复的《长江流域防洪规划》，洞庭湖区安排了24个分蓄滞洪区[1]。目前，各蓄洪垸普遍存在堤防防洪标准低，堤身单薄、质量差，堤基、堤身渗透变形和穿堤建筑物不均匀沉陷断裂等严重问题，无法确保堤防防洪安全，需对各蓄洪垸堤防进行加固。

堤防加固工程措施内容一般包括：堤身加高培厚，堤身边坡防护(草皮护坡、浆砌石或混凝土预制块硬化护坡)，堤身堤基防渗(劈裂灌浆、压浸平台、水泥土防渗墙、填塘固基等)，堤脚抛石防护以及修建堤顶防汛道路、穿堤建筑物重建、加固等[2]。尽管工程区域地势平坦、土地肥沃，现状水土流失强度轻微，水土流失对农业生产产生的危害程度较轻[3]。但考虑到工程区域人多地少，耕地资源相对不足，以及工程施工对东洞庭湖湿地保护区及湖区河流生态系统的影响，堤防加固工程建设过程中水土流失防治仍然很重要，尤其应重视施工中弃渣的防治。

1 蓄洪垸堤防加固工程水土保持措施

1.1土石方平衡调配

工程土石方平衡调配是指根据工程开挖方和填筑方的情况，充分进行纵向和横向调配，使开挖方最大程度的得到利用，以减少弃渣量和从外取土量。弃渣和取土减少能有效的减少工程建设产生的水土流失。堤防加固工程中削坡土方是最主要的土方开挖来源。对于削坡土方的处理，施工专业通常认为“堤防削坡是使新土方与老堤土方结合牢固而进行的削坡和刨毛处理，削坡土方主要为含草杂土和淤泥质土”，不适宜用作堤防加固填筑方。这样的结果是，导致产生大量的弃方和取土方，不仅会增加工程投资，也会造成更大的水土流失。

然而工程的实际情况是，大部分工程的削坡土方适宜用作堤防加固填筑方，或者用作其他用途，而不是全部作为弃方。判断土体是否符合堤防填筑要求，关键是分析土体的物理力学指标是否使堤防满足边坡稳定、渗透稳定和地基变形的要求。对于堤防边坡稳定和堤基形变，涉及土的物理力学指标是土体重度和抗剪强度(内摩擦角φ、凝聚力C)，土的渗透系数是决定渗透稳定的指标。因此，可以通过选取典型堤段，在设计洪水情形下，通过计算分析采用削坡土方填筑后，以确定堤防是否满足上述要求。洞庭湖大部分蓄洪垸设计证明，削坡土方除少量含草根杂土不适宜用作堤身填筑外，其余均能够使堤防满足边坡稳定、渗流稳定和堤基变形的要求，堤身削坡料用于填筑是可行的。

1.2弃渣场防护措施

1.2.1 弃渣场位置选择 工程土石方经合理调配后，仍会产生弃渣，由于堤内地势平坦，将弃渣弃在大堤内的护堤地合适。首先，本工程堤内坡脚划定10m宽的护堤地作为堤防的管理范围，护堤地属于工程永久征地范围，不会新增弃渣占地；其次，护堤地较平坦，一面紧靠堤防内坡，弃渣堆放在护堤地上便于防护，只需在外侧进行一般拦挡就可以满足稳定要求；最后，弃渣堆放在护堤地不会影响堤防的正常功能，堤防沿线均设置护堤地，面积大，弃渣沿线摊薄后，平均堆高小于1.5m，不会对堤防防渗和地基稳定造成影响。

1.2.2 弃渣场防护措施 弃渣场的防护措施主要是排水措施和拦挡措施。

(1)排水措施。弃渣堆放在堤内紧靠堤脚的护堤地，面临堤防边坡汇水的冲刷，应在堆渣面与边坡交界处，沿堤防纵向布设截水沟，拦截堤防边坡汇水。由于堤防高度不同，从而边坡汇水量的大小不同，对弃渣造成冲刷的效果也不同。根据对洞庭湖区同类堤防工程边坡汇水的调查，一般当堤防高度小于6m时，边坡汇流冲刷作用不很强，通过灌木和草皮的分散消减，基本对弃渣不会造成明显的侵蚀作用。当堤防高度大于6m时，在堤防内坡堤顶以下5m设3m宽平台，坡面汇流作用明显，应考虑布设截水沟拦截边坡汇水。

截水沟设计流量按下式计算

QB=0.278·kiF

式中：QB——最大清水洪峰流量(m3/s)；

k——径流系数，取0.8；

i——平均1h降雨强度(mm/h)；

F——边坡集水面积(km2)。

经过计算，小于0.1m3/s，根据经验判断采用矩形断面可满足排水要求，经过验算采用底宽0.3m、沟深0.3m的矩形断面适合。为了减少截水沟开挖对堤防坡脚的破坏，以及保持堤内景观效果的一致性，截水沟使用土沟，采用高密度聚乙烯膜(HDPE)防渗。HDPE土工膜具有良好的防渗效果，适应变形能力强，施工简便，使用寿命可达50年，在渠道防渗工程中普遍使用。截水沟在弃渣前进行施工。施工时，先将截水沟的底部和侧边夯实，再铺土工膜，土工膜采用全铺式，两侧留出10cm的边缘嵌入土中，最后在沟底土工膜上铺设草皮，使外观上看上去全是绿色。

(2) 拦挡措施。护堤地外侧一般为房屋和农田，弃渣堆放在上面，如果不进行拦挡，将流失到护堤地外，影响附近居民的生产生活。护堤地表面平坦，堆渣平均堆高1.5m，相当于平地堆渣，可以借鉴水平盖重吹填围堰的形式，采用填筑土埂进行拦挡，这样可以节省工程造价，同时维持良好的生态景观。

设计的土埂采用梯形断面，顶宽1m，高1m，内外侧边坡均为1∶0.5，填筑土方直接采用工程弃料，采用打夯机夯实。为了防止雨滴对土埂的击溅侵蚀，在土埂坡面和顶部铺设草皮进行防护，草种选用与堤防护坡草皮相同的假俭草。土埂的排水与水平盖重的吹填围堰相同，每200m设1处开敞溢流式退水口，采用粘土麻袋和彩条布保护，与现有外侧排水沟渠连接。

2 主体工程的水土保持设计优化

2.1护坡工程设计优化

护坡工程是重要的防治堤防坡面径流侵蚀的工程。大多数蓄洪垸堤防加固工程设计中采用混凝土六方块护坡，厚度统一取0.1m，此值偏于保守，源于采用了偏于保守的计算公式(公式1)[4]。

(1)

式中：t——砼板的厚度(m)；

η——系数；

B——沿斜坡方向的护面板长度；

r——水容重；

rb——混凝土容重;

H——计算坡高；

L——坡长(m)；

m——斜坡坡率。

在湖区设计洪水情况下，公式计算出预制混凝土六方块护坡厚度为0.076m。该计算公式来自《堤防工程设计规范》(GB 50286-98)，计算结果大于模型试验结果，因为该公式是基于 “浮托平衡条件” 导出的，而在公式的推导过程中并未考虑摩擦力、透水性等因素的影响。同时，由于考虑到混凝土六方块运行时整体性难以保证，整体破坏后会出现靠单个体抗风浪的情形，此时要求厚度相对较厚[5]。因此，建议设计枯水位以上0.5m(当堤外脚高程高于设计枯水位以上0.5m时取堤脚高程)至设计洪水位高程坡面采用0.1m厚，设计洪水位至设计堤顶高程坡面采用0.8m厚。

2.2水泥土防渗墙设计优化

水泥土防渗墙的防渗原理是利用防渗墙极低的渗透系数，延长渗流的渗径，从而减小渗透力，达到堤基渗流稳定的目的。从渗流理论上分析，防渗墙渗透系数和墙体厚度，一起决定了防渗墙的防渗效果，因而渗透系数和墙体厚度是防渗墙重要的设计指标。公式实际计算值为0.2m，水工专业设计确定水泥土防渗墙厚度为0.3m。计算时采用的最大作用水头10m，根据洞庭湖区的统计，这样高的水头很少出现。同时，目前的施工技术也能达到0.2m厚要求。在1999—2000年长江重要堤防险工段加固处理中，采用小直径搅拌工法施工完成的0.2m厚的防渗墙，具有良好完整性和防渗效果[6]。同时0.2m厚墙体单价比0.3m厚墙体单价要节省25%左右。综合考虑技术、经济因素，堤基防渗水泥土防渗墙厚度设计指标为0.2m。

3 讨论

洞庭湖区蓄洪垸堤防加固工程应重视土石方调配，尽量充分利用挖方减少弃渣数量，同时选择堤内护堤地范围作为弃渣场，布置边坡截水沟和外侧土埂，防止弃渣产生水土流失。从生态保护、节省投资角度分析评价，预制混凝土块护坡厚度应尽量切合实际，改变以往一直过于保守的状态；采用水泥土防渗墙进行堤基防渗，厚度可以减少为0.2m。

[1] 国务院.《长江流域防洪规划》国函 〔2008〕 62 号批复[R].2008.

[2] 湖南省水利水电勘测设计研究总院.湖南省洞庭湖区西官垸堤防加固工程可行性研究报告[R].2009.12.

[3] 湖南省水利水电勘测设计研究总院.湖南省洞庭湖区西官垸堤防加固工程水土保持方案报告书[R].2010.2.

[4] 国家技术监督局，中华人民共和国建设部. 堤防工程设计规范GB50286-98.[M].北京：中国计划出版社，1998.

[5] 黎李刚，何广水，周哲华. 长江中下游堤防加固护坡工程问题[J]. 水利水电快报，2005,26(16):7-8.25.

[6] 张家发，孙厚才，焦德秀. 堤防加固工程水泥土防渗墙设计指标初步讨论[M]//长沙重要堤防隐蔽工程建设管理局，长江科学院.长江护岸及堤防防渗工程论文选集，长江护岸工程(第六届)及堤防防渗工程技术经验交流会论文集.北京：中国水利水电出版社，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，湖南省长沙市人，主要从事环境影响评价、水土保持设计、环境保护设计方面的研究。

S 157.2

A

1003-5710(2011)05-0048-03

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

(文字编校：杨 骏，龚玉子)