粉细砂筑堤处理方案探讨

董 军

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

0 前 言

辽河流域素有“东水西沙”之称，西部支流随洪水下泄泥沙淤积在辽河两岸，是辽河冲积平原形成的主要原因，追根溯源，泥沙又主要来自于蒙古高原，水流侵蚀以及风蚀将蒙古高原上大量的粉细砂特别是颗粒更细的粉砂搬运至辽宁省西北部和辽河流域的大部分地区。

辽河干流堤防系统建设于上世纪末，标准偏低，无法满足《辽河流域防洪规划》需求，需要进行提标治理，由于加固线路较长，在满足工程结构安全的前提下，控制工程投资也非常重要，因此加固堤防就地取材，采用河滩地粉细砂筑堤就成为必然的选择。但依据《堤防工程设计规范》GB50286，粉细砂筑堤需采取相应处理措施以确保工程安全。

1 工程概况

1.1 地质概况

辽河两岸地层以新生界地层为主，第四系地层沉积连续，层序齐全，成因复杂，分布广泛，厚度大；辽河上游汎河地层小区分布有元古界、古生界、中生界等地层。从上游东西辽河汇合口至下游盘锦入海口，总体地势呈北高南低，从上游至下游地貌形态成因类型依次为剥蚀丘陵浑圆状低丘Ⅲ2-3-2(康平～法库)、冲洪积平原缓倾斜高地Ⅲ3-1-1(法库～新民)、冲洪积平原河间平地Ⅲ3-1-2及沼泽化洼地Ⅲ3-1-3(新民～台安)、冲海积平原滨海洼地Ⅲ3-2(盘锦)等。从上至下第四系沉积厚度逐渐增厚，尤其进入盘锦市区，覆盖层地层急剧加厚；结构层次上从简单逐渐过渡到复杂；岩性在水平方向上基本上是由粗变细，由级配不良砂、含细粒土砂为主层，变至以含细粒土砂、粉土质砂为主层，最后变成黏性土和含细粒土砂互层。下游黏性土和含细粒土砂筑堤不是文章研究范围，文章主要研究上游粉细砂及细砂筑堤。

辽河河滩地粉细砂及细砂的基本物理力学指标为：渗透系数K=1-4×10-3cm/s，内摩擦角φ=22°-24°，凝聚力c=0.1-0.3kPa，天然重度在1.5-1.55 g/cm3，压实后重度可达1.7g/cm3以上，临界水力比降Jcr =0.8-0.9(二级堤防安全系数为2.0)。

1.2 堤防概况

辽河全河两岸堤防总长度超过600km，其中绝大部分低于规划标准，石佛寺水库以上低于标准比例超过80%，是这次研究的主要对象。石佛寺水库以上堤防除有少部分为铁岭城市段达标堤防外，其余均为农村段堤防，现状堤防(建设)标准为20-30a一遇，规划标准为50a一遇。本段堤防平均高度在4.5-6.5m，堤前设计水深一般在3-4.5m，堤前堤后地面高程基本相当，局部有深坑不连续。现状堤防(建设)顶宽基本为6m，迎水边坡1∶2.5，背水边坡1∶3.5或1∶5，经多年沉降，堤防压实度接近规范标准，无大范围鼠洞蚁穴，堤防建成后近30年间未发生溃堤、漫堤等情况，堤身管护情况尚可，护堤林及防浪林缺失较为严重。

现状辽河堤防迎背水均设置有护堤地，但护堤地土地产权情况有一定争议；护堤地宽度临水侧一般有50m，背水侧20m，护堤地范围内均栽种有杨树、柳树、榆树等乔木，属性一般为经济林，临水侧局部被划定为公益林。

2 处理方案比选

根据相关资料及现场调研，目前国内粉细砂筑堤处理方案有工程案例且经过多年运行(部分未受水)效果尚可的包括(但不限于)：临水挡墙+防渗措施、临水防护+背水排水措施、临背水放缓边坡措施、加大堤身断面措施、两侧挡墙+中间加筋连接措施、黏土铺盖即金包银措施、土工织物+边坡防护措施等。其中由于临水挡墙+防渗措施、临水防护+背水排水措施工程造价过于昂贵，对于经济欠发达的辽河两岸适用性不高；临背水放缓边坡措施、加大堤身断面措施均需要占用大量耕地和砍伐大量林木，从目前节约土地和保护生态环境的大形势下，方案可行性较低，因此以上4种型式不建议在辽河治理中采用，不对以上4种型式做进一步分析，仅对两侧挡墙+中间加筋连接措施、黏土铺盖即金包银措施、土工织物外包+边坡防护措施等3种型式进行优缺点比较分析，并结合辽河特点说明各种型式的适用性。

2.1 两侧挡墙+中间加筋连接措施

该种工程型式为利用两侧挡土墙之间的筋带，将两侧挡土墙连接成一个整体，通过墙厚垫无纺布防止土粒从挡墙之间缝隙流出，对抗土体及其上荷载产生的横向拉应力，主要依靠两侧挡土墙之间的筋带，目前随着材料技术的不断进步，加筋材料从结构强度、耐久性、工程造价等各方面均具有很强的竞争力，国内很多工程中采用了单侧挡墙和双侧挡墙加筋的型式，运行效果也较为理想，结构示意图见图1。

图1 两侧档墙+中间加筋结构图

该型式优点主要有三点，一是节省占地，由于直立挡墙不需要放坡占地，相同顶宽情况下，占地只相当于其他型式的1/2-1/3；二是节省土方，相比于传统均质斜坡土堤，其土方用量可节省1/3以上；三是材料采购难度低，建筑材料工业化程度高，加筋材料生产工艺难度低、产量高，两侧挡墙砌块目前各地均有大量企业生产，供应量充足。缺点主要为两点，一是堤顶抗重载车辆通行能力低，由于两侧砌块结构强度限制及施工水平限制，堤顶两侧各1m范围内通车特别是重载车辆，易对挡墙结构产生破坏，堤顶一般仅限中小型车辆通行；二是不适合加高超高1.2m的堤防，由于两侧均为直立式挡土墙，加之农村段堤防两侧均设置护栏的可行性不高，堤顶车辆及行人的通行安全必须作为设计结构的考虑要素之一，过高的挡墙易给脱离堤顶车辆及行人严重坠落伤害。

2.2 黏土铺盖即金包银措施

该种工程型式核心为利用黏性土料的抗冲性能和抗剪切能力，在粉细砂堤身外包一定厚度的粉质黏土，在不大范围增加堤防边坡的情况下，降低堤身渗流量和浸润线高度。同时利用粉质黏土凝聚力较高的特点，解决背水边坡渗流破坏问题和临水边坡滑动破坏问题。辽河、柳河、绕阳河等现状堤防部分采用了此种型式，多年来运行效果较好，且由于粉质黏土对生态恢复较为有利，比较符合目前生态治河的总体形势。结构示意图见图2。

图2 黏土铺盖结构图

该型式优点主要有2点：①生态自然，建筑材料全部为天然建材，无化工材料，对周边环境无污染，且有利于坡面植被生长；②结构安全稳定有保障，工程案例较多且经过实际检验，在对抗洪水冲刷和风剥雨蚀中效果均较为突出，目前尚无该型式渗流及稳定破坏的相关报道。缺点主要为两点，一是黏性土料缺乏，辽河两岸包括保护区内黏性土料均较为缺乏，辽河几百万立的堤防加固土方用量致使料场寻找极为困难；二是土料场开采对环境和土地影响方面较难通过行业许可，由于黏性土料场多数为耕地，少数荒地储量有限，目前国家加大对环境破坏的监察力度和耕地保护力度，大量占用耕地作为筑堤土料场审批难度较大，同时料场开采后耕地恢复费用也比较高。

2.3 土工织物+边坡防护措施

该种工程型式主要利用土工织物的包裹加强作用，提高粉细砂稳定边坡，并采用硬性防护防止堤坡洪水、雨水冲刷及春秋季节植被覆盖率较低时的风剥侵蚀。结构上与两侧挡墙+中间加筋连接措施有相通之处又有较大差别，其中利用硬性工程防水冲、风剥的原理是相通的，但硬性防护工程的稳定原理又是截然不同的，两侧直立挡墙的稳定除依靠重力作用外，几乎全部依靠中间筋带的牵拉作用，而土工织物+边坡防护中的硬性防护本身是处于稳定边坡状态，也就是内部的土工织物与护坡可以是相连的，也可以是独立的。另外，由于该种型式的边坡一般均在1∶2以上，因此堤顶通行安全方面有了较大的改善，使得该型式可以适用于不同堤防高度的堤型选择上，适用范围有了较大的提高。结构见图3(绕阳河新民市段)。

图3 土工结构+边坡防护结构图

该型式优点主要有两点，一是相对节省工程占地和筑堤土料，相对于一般土堤放坡(≥1∶3.5)以解决稳定问题，该种型式边坡可以依据需要在1∶2以上任意选择，节省了堤身占地和筑堤土料；二是迎背水两侧防护确保堤身断面多年完整，该典型工程处于风剥段，在此之前一般土堤建而复损、损而复建多次，几乎两三年时间新筑堤防就有大半受损，但本工程建成后至今十几年以来堤身断面完好。缺点一是由于两侧均为硬性防护，生态效果不佳，与周边环境融合性较差；二是工程单体投资相对较高，土工织物从上至下分布增加一定投资，两侧硬性防护又在原基础上增加一定投资，据初步估算，相比于一般土堤工程投资增加1/2左右，对于大范围应用是明显的制约[1]。

3 结 语

1)辽宁省经济整体发达程度较南方省份差一些，因此工程治理的投资在方案设计中较为敏感，设计人员在方案比选时确保结构安全前提下，务必将经济指标放在重要位置。

2)辽宁地形特点可归结为东南部多山区、西北部多丘陵、中部基本为平原，其中西北部丘陵地带及中部平原的大部分地区，地表覆盖主要以粉土和粉细砂为主，河流两岸黏性土料很少，地质构造特点决定了就地取材，采用粉细砂筑堤是很多地区无法回避的问题，设计人员的任务是研究如何在经济较为合理的情况下利用粉细砂筑堤，确保防洪安全、生态友好。

3)介绍的几种粉细砂筑堤型式包括粉细砂改性等在全国和省内均有不少案例，效果也不尽相同，研究重点是应用于辽河的堤防加固，依据辽河的实际特点选用适合的型式是确保工程效果的关键。

4)根据辽河堤防加固和运行需求特点，建议结合各方案优势，探索采用土工织物外包粉细砂+覆盖耕植土(清基土改良)型式的可行性，辽河堤防欠高欠宽数值均不特别高，风剥雨蚀程度也相对较轻，同时辽河堤防宽阔，除个别主流近堤段以外，堤前流速不大，水流相对平稳，因此有必要采用硬性护坡的范围不大，多数可采用生态性更好的耕植土覆盖护坡。堤防加固产生大量清基土，清基土中富含植被根系，根据其特点辅以必要的改良药剂和有机肥料，即可作为护坡耕植土，在降低护坡土料开采工程造价的同时还能减少清基土外运量，节省工程投资和减少环境破坏[2]。