砂砾石土筑堤技术在北汝河堤防治理工程中的应用

2012-04-16刘美义

中国水能及电气化 2012年9期

刘美义，金鑫

（1.中水淮河规划设计研究有限公司，安徽省蚌埠市 233001；2.天津水利电力机电研究所，蓟县 301900）

1 北汝河治理堤防工程的特点

河南省北汝河是淮河流域沙颍河水系的主要支流，西南与沙河毗邻，西北以伏牛山为界，东北与颍河相接。北汝河发源于伏牛山区，流经嵩县、汝阳县、汝州、宝丰、郏县、叶县和襄城县，干流河道长250km，控制流域面积6080km2。北汝河在紫罗山以上属山区河道，河道宽200～1000m，河床质为卵石夹砂，河底比降1%～0.33%，河道比降较陡；紫罗山至襄城段为浅山丘陵区，河槽骤然变宽，河道行洪宽度为1000～2000m，河床质为卵石夹砂，河床比降0.30%～0.17%；襄城以下为平原区，河道变窄，最窄处仅有100～200m，河床质为砂，河道比降平缓。北汝河复杂的自然地理和水文特征造就了沿岸堤防的特点：

（1）河道堤防质量差，防洪标准低，现状砂堤难以控制洪水。

建国以来，北汝河未经系统治理，两岸现状堤防长约130km，但现状堤防矮小、质量差，防洪标准不足10年一遇。特别是上、中游堤防多采用砂砾石堆筑，因风浪冲蚀体系已不完整，且许多地段无堤防，现存堤防高度1～3m，堤顶宽1～4m，堤防工程不达标；下游堤防虽较完整，多采用粘土筑堤，堤高4.5～5.0m，堤顶宽4～7m，但砂质河岸险工较多。汛期暴雨来临时原有堤防难以约束峰高量大流急的洪水，河道漫堤行洪，严重威胁着沿河两岸人民群众生命和财产安全。

（2）砂质河床稳定性差，主河槽游荡不定，极易淘冲堤脚。

北汝河干流无大型洪水控制工程，上游山区雨量不均，河道来水量变化过程复杂，各河段的比降变化大，河床内乱掘地多，坑洼不平，河床形态复杂，造床流量范围广。因此北汝河上游段主流深泓经常偏移，游荡不定，甚至局部存在横流现象，水流往往直逼堤脚，影响河势稳定；下游床道弯道多变，迎流顶冲造成滩地陡峭，形成了大量险工段。

（3）砂质堤防防渗能力差，抗冲能力不强，堤防防护困难。

汛期洪水高水位时，堤基、堤身渗漏，堤防边坡失稳、坍塌现象严重。河床宽阔，风大浪急，砂卵石堤防自身防护性能差，风雨侵蚀严重。

2 治理工程筑堤材料的选择

北汝河堤防工程级别为5级，按照10年一遇防洪标准治理。由于河道长，投资规模大，且涉及多个县市，国家拟对河道治理按照轻重缓急分年度开展，其中汝州段和郏县河段堤防治理工程特点突出。汝州到郏县段河道总长55.70km，河床卵石层深厚，河道平均纵比降为2‰，属宽浅式河道，主流散乱，现状两岸堤防结构主要为砂卵石、浆砌河卵石，局部采用粉质粘土、粘土筑堤，堤防不连续，缺口多。治理工程重新规划堤线，对部分堤段铲除老堤新筑堤，部分堤段对老堤进行加固。

按照建筑材料，堤防可分为土堤、砂堤、石堤和混凝土堤四种，石堤、混凝土堤主要应用于海岸、取土困难的城区段，造价高，因此本河道堤防不适合采用这两种堤型。根据规范并参照已有工程的实践经验，本河道堤防设计一般断面堤顶宽6m（城区段堤顶结合交通需要加宽至10m），堤防高度5m左右，迎水坡坡比1:2.5，背水坡坡比1:2（城区段结合景观边坡1:5）。据统计，北汝河新筑堤防总长135.64km，填筑土方量约900万m3，加固堤防总长132.14km，填筑土方量约400万m3，修筑堤防需要大量的土方量，若采用粘性土筑堤，将大量的征用土地。为保障我国的粮食安全，国家要求到2020年确保中国的18亿亩耕地不变，占用大量农田取土筑堤无论从经济上还是政策上都是不允许的。同时，北汝河河道内砂卵石料丰富，就地取用河道内的砂砾石填筑堤防是专家们的共识。规划北汝河总计采用砂砾石筑堤土方量为1100万m3，占总筑堤方量的85%，其中汝州、郏县总筑堤方量630万m3，将全部采用河床砂砾石土筑堤。为确保筑堤成功，对砂卵石筑堤采取切实合理的设计方案十分重要。

3 砂砾石堤防设计要素

据现场调查和砂砾石土的散粒特征，北汝河现状堤防损坏的主要形式为渗透破坏和水流冲刷破坏，因此做好砂砾石堤的防渗、防冲和防护设计是北汝河堤防设计的关键所在。

3.1 防渗设计

北汝河上游河道地貌单元属冲洪积平原，河道及两侧堤基主要为砂卵石层，厚8～15m，卵砾石层厚度大，分布范围广，分选性差。在冲、洪积作用下，砂、卵石、砾石、漂石混杂，并夹有砂壤土和少量粘壤土，砂砾石层渗透性强，抗冲刷能力低，堤基、堤身渗透系数A×-2cm/s，允许水力坡降0.20，工程地质条件分类为C类。对堤防典型断面进行渗流及渗透稳定分析表明，无防渗措施情况下计算堤身、堤基计算水力坡降均大于0.20。

堤身防渗比选了斜墙防渗和垂直防渗两种方案，由于堤基砂卵石层较厚，采用垂直截渗深度大，造价高，汝州、郏县段堤身防渗采用斜墙防渗，即在迎水面混凝土护坡下布置防渗体，防渗体采用重度500g/m2的复合土工膜，PE膜厚0.5mm，土工膜顶高程超过洪水位0.50m。

堤基防渗比选了水平防渗和垂直防渗两种方案，考虑北汝河上中游段洪水历时短的特点以及便于施工，堤基防渗结合混凝土护坡镇脚布置，采用垂直防渗，即将迎水面斜坡上的土工膜埋设于镇脚底，深2.0m，详见图3.1。通过对设置防渗体的设计堤防断面进行渗透稳定计算，计算水力坡降小于0.14，计算水力坡降小于允许水力坡降，堤身、堤基能够满足渗透稳定要求。

图2 土工膜斜坡铺设

3.2 防冲设计

3.2.1 堤脚防冲设计

北汝河上中游河道造床流量范围广，砂卵石河床稳定性差，主流摆动经常直逼堤脚。根据堤岸冲刷深度计算，堤脚冲刷深度达1.5m之多。为防止水流淘冲堤脚，堤防混凝土护坡下设置高2.0m、顶宽0.45m、底宽0.85m的直角梯形混凝土镇脚，镇脚顶高程与河床平齐。水流冲刷容易使得镇脚前形成深坑，按照挡土墙理论计算镇脚的稳定性，在设计冲坑深度下镇脚抗倾稳定安全系数小于1.0。为此，在镇脚前设置底宽1.0m、顶宽3.4m、深2.0m的抛石防冲槽，防冲槽结合镇脚基坑开挖布置。由于汝州、郏县段河道内分布有大量的卵砾石，防冲槽采用河床内的大粒径卵砾石抛填，要求卵石粒径大于100mm。

3.2.2 堤身防冲设计

北汝河汝州至郏县段10年一遇设计洪水流量3520～4420m3/s，水流流速高、风浪大，这是造成北汝河两岸堤防损坏的主要原因，因此必须对砂卵石堤迎水坡采取防冲措施。经草皮护坡、浆砌石护坡、混凝土护坡等多方案比选，汝州、郏县城区段大堤迎水面采用C20现浇混凝土护坡，护坡混凝土板厚0.12m，分块尺寸4.0×4.0m。对于非城区段，堤身迎水侧防冲采用格宾网防冲措施。格宾网箱内就地取用河床的卵砾石填充，各箱体之间采用格宾材料链接形成整体。

图3 堤身格宾护面

3.2.3 滩岸防冲设计

北汝河许多堤段滩地较窄，中小洪水时主流贴岸冲刷，迎流顶冲，岸坡崩退速度快、控制难，许多地段已严重威胁堤防的安全，并对河势发展产生了不利影响。若不及时防护，可能导致河势进一步恶化，给以后的治理工作带来困难。以前治理时采用过砂砾石外包混凝土丁坝等措施治理，治理效果差，丁坝因基出淘冲窝崩现象严重。本次治理上游段河槽水深度0.5～2m，主要采用格宾网护岸，坡比较缓的滩岸采用30cm厚格宾网护砌，岸坡陡直段采用格宾挡墙护岸。

下游段水深7～8m，采用格宾网护岸施工难度较大，主要采用施工相对容易的抛石护岸，为防止抛石被水流冲走，抛石护岸底部设置一块或数块尺寸1.5×1.5×1.5m的格宾箱护脚。

3.3 堤身防护

砂堤容易遭受雨雪侵蚀，工程经验证明，未采取防护措施的砂堤上雨淋沟密布，滑坡、坍塌现象严重。为保证堤坡能够植草护砌，堤防背水坡及迎水坡未采用护坡的堤面设置0.5m厚种植土保护层，种植土与砂卵石料同时填筑，然后在种植土上采用植草护坡。为保证堤身内渗水及时排出，堤防背水坡堤脚耕植土防护层上可设置一定数量的砂卵石排水带。局部堤段采用格宾护砌效果也较好。

北汝河汝州、郏县段卵砾石土筑堤技术利用透水性材料堆筑成形维持堤防的稳定性，迎水侧混凝土护坡下设置斜墙防渗体，与砂砾石面板坝的设计异曲同工。工程设计中应用了复合土工膜、格宾等新材料和新工艺，并且将防渗、防冲、防护三者有机结合，降低了工程造价，加快了施工速度，提供了工程质量。建成的北汝河大堤既形成了河道的防洪安全屏障，又取得生态环保效益，得到河南省北汝河沿岸人民群众的普遍赞誉。