柳河新民农村段粉砂质堤防设计的探讨

孟伟龙

(辽宁泽峰水利规划设计有限公司，沈阳 110004)

1 工程概况

柳河是辽河中下游右侧的一条多泥沙支流，发源于内蒙古库伦旗扣河子镇五星村，流经内蒙古的库仑旗、辽宁省阜新县、彰武县、新民市等四个县旗(市)，在新民市城南王家堡村附近注入辽河[1]。河流全长302km，总流域5798km2。其中辽宁省境内闹得海水库以下河道全长142.5km，流经彰武、新民两县市，区间流域面积1674 km2。

拟建堤防工程建设区涉及新民市的3个乡镇6个村，总耕地面积5838hm2，总人口11252人。目前新民农村段堤防现状全线未达标，无法满足防洪需要，在2017年汛期后更加凸显其防洪保护作用的重要性，堤防加固工程亟待完善。

项目区地处辽西干旱少雨地带，现状土壤黏粒含量略有不足，再加上本地区植被稀少，风沙影响大等因素，现状堤防为粉砂夹粉土填筑而成，筑堤土料粒径较小，堤身断面表层土料易被剥离，遇大雨冲刷，易形成冲蚀沟槽。存在的主要问题为堤身欠高欠宽、堤坡和堤顶无防护、堤防不满足渗透稳定，亟需加固治理。

2 堤线布置原则

本次柳河农村段粉砂质堤防加固治理堤线选择遵循以下原则：

1)堤线走向布置应符合水流流态要求，行洪宽度合理，堤线应与河道大洪水主流线大致平行，两岸上下游堤距应协调，不宜突放或缩小。

2)堤线应力求平顺，各堤段用平缓曲线相连，不宜采用折线或急弯。河道弯曲段，要采取较大弯曲半径，避免急转弯及折线。

3)堤线的选择要顺应河势，应使主流平顺，并与大洪水主流方向大致平行。

4)堤线一般应修筑在地质条件较好，且比较稳定的基础上。

5)堤线布置时，应布置在拆迁房屋及其他工厂等建筑物少，占地小并有利于防洪抢险和工程管理，应尽量多保护土地。

3 工程治理方案

根据地勘成果，拟治理段堤防、堤基、筑堤土料主要为粉砂夹粉土，结合辽宁省大江大河相关堤防治理经验，初选方案如下：

3.1 方案一：临水堤坡加覆黏土方案

该方案以临水堤坡加覆黏土为主，背水堤脚加盖重(背水堤坡贴坡排水)为辅的措施，断面图见图1。

图1 临水堤坡加覆黏土方案断面图

该方案可以有效降低背水坡渗流比降，增加临水坡抗滑稳定系数，施工方便。缺点是项目区沿岸缺乏黏土料场，原设计堤顶宽为4.5m，考虑防汛期间车辆通行较为频繁及粉砂性质土堤结构的稳定性，堤顶宽度优化为5m。

3.2 方案二：截渗墙方案

20世纪90年代末，南方河流开始采用截渗墙措施加固堤防，针对村屯密集，居民搬迁有一定难度的情况，计划利用截渗墙对背河侧村庄密集的堤段进行加固，将截渗墙从堤防临河侧堤肩垂直打入至堤基不透水层，断面图见图2。

图2 截渗墙方案断面图

该方案在我国南方应用广泛，具有连续造墙、施工速度较快、占地范围小等特点；但该技术需采用开槽法施工，受大堤土质较差及密实度差异大、堤身裂隙发育、施工期高位护壁泥浆易侧渗等问题的影响，对地质条件要求高，很难在堤基找到相对不透水层，修建的截渗墙大多为悬挂式，渗控效果大打折扣[2]。而且在截渗墙施工后一段时间内造成背河侧村庄地下水位迅速下降，使机井短时期内取不上水，群众意见较大。

3.3 方案三：临水坡防渗膜+临水坡坡脚垂直铺塑方案

该方案堤坡采用复合土工膜进行防渗，坡比为1∶3.5。复合土工膜向上铺至设计水位以上0.5m，并水平向堤内延伸约0.5m后下压至锚固沟内，向下铺至堤脚地面以下0.5m并水平延伸2m，堤坡段和堤脚水平段上压1.0m厚黏土或粉质黏土。堤坡防渗回填后，坡面进行撒播草籽，以防止水土流失。堤坡防渗材料根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T225-98)和以往工程实践经验选用规格为SN2/PVC-5-400-0.3的复合土工膜(二布一膜)。结构形式见图3。

图3 临水坡防渗膜方案断面图

此方案可以很好地降低背水坡渗流比降，但由于柳河现状以粉砂土为主，该方案须在堤坡覆盖1m厚的砂壤土保护层，砂性土与土工膜的接触面有可能形成滑裂面，降低防渗效果，且迎水坡垂直铺塑会增加占地范围。

3.4 方案四：清基土植草+棱体排水方案

该方案迎背水坡设采用清基土结合三维植草垫结构，背水坡采用棱体排水，解决上游岸坡稳定、下游排水不畅等问题，同时为了避免新民农村河段风沙较大水土流失严重的问题，迎背水坡面均采用三维植草网垫防护。

图4 清基土植草+棱体排水方案断面图

三维土工网垫是一种新型土木工程材料，属于国家高新技术产品目录中新型材料技术领域重复各材料中的增强体材料[3]。质地疏松、柔韧，留有90%的空间可充填土壤、沙砾和细石，植物根系可以穿过其间，舒适、整齐、均衡的生长，长成后的草皮使网垫、草皮、泥土表面牢固地结合在一起，但该材料不可常年暴露于阳光下。

3.5 方案五：防洪墙方案

防洪墙结构堤防目前已在抚顺、沈阳等城市河段采用，以兼顾的悬臂式混凝土挡墙为主体结构，上下游填筑土方筑堤，形成良好的生态景观堤防，因其良好的抗冲能力而被用于很多城市河段堤防。防洪墙采用悬壁式钢筋混凝土结构，平均墙高5.5m，底板厚度0.6m，墙体悬壁顶宽0.5m，悬壁底宽0.6m，防洪墙每隔15m设变形缝，缝内设橡胶止水，并采用聚乙烯泡沫塑料板填缝。混凝土防洪墙埋深于堤防之中，堤防堤顶宽4.5m，堤防背水侧边坡1∶3.5，迎水侧边坡为1∶3.5。

图5 截渗墙方案断面图

该方案在几种比选方案中造价最高，且施工复杂，且填筑土体多为粉砂，与截渗墙结合部位易出现滑裂面发生滑塌，堤顶若有车辆荷载则对堤坡安全影响较大。

5种方案优缺点比较见表1。

表1 方案初选优缺点对比表

通过分析可知，方案二虽然占地小，但是现状堤防不满足规范要求，加高培厚以后占地面积仍不能得到优化，且可研阶段占地工作已经完成，考虑到柳河左岸地质条件较为复杂，故不推荐此方案；方案三目前已在辽宁省辽河、浑河、太子河、绕阳河等河道应用，但柳河现状砂性粉土回填易形成滑裂面，且大堤坡面遭受冲刷后防渗膜容易外露，影响结构安全，故不推荐此方案；方案五多用于城市河段堤防建设，造价高，施工慢，且应用于柳河接触面易产生滑裂，故不推荐此方案。下面对方案一和方案四进行详细方案比选论证：

方案一采用不透水的黏性土作为迎水一侧填筑材料起到一定防渗作用，方案四重点在于背水侧堤脚的水平排水棱体降低浸润线；方案一坡面黏土防渗层所用黏土料运距很远，料场多为百姓现有耕地，占用黏土料场后须考虑社会稳定因素，且黏土外运的过程可能对沿程公路造成环境污染，不利于绿水青山的建设，因此从生态和节能等多重角度考虑，故方案四总体效果略优于方案一，施工难度相差不大，针对典型断面进行经济比较见表2。

表2 方案一与方案四造价对比表(典型断面每延米投资估算)

通过表2典型断面每延米投资，方案一为5558.4元，方案四较方案一节省755.1元，再考虑占地情况方案四较方案一具有更大的优越性，能够节省大量的占地投资。

通过方案比较，方案四在经济、投资方面更加合理，故方案四作为本工程设计的推荐方案。

4 堤防实施效果分析与思考

由于地域条件的关系，柳河河床及岸滩土质特殊，素有“小黄河”的称谓，现状老堤防及河滩以粉砂为主，用于筑堤存在诸多问题，但通过本次方案比选后，采用三维植草垫护坡结合棱体排水护脚的方式，可以有效解决堤坡风侵雨蚀、堤身渗透破坏等问题。通过三维植草垫在堤坡表面形成稳固的苗床，让草籽可以更好地稳固堤坡，形成生态护坡；棱体护脚更好地降低背水坡浸润线及出逸点，同时防止周边村民的农用车随意上堤导致堤坡破坏，一举两得。通过治理前后照片对比，可知通过堤防加高培厚改善柳河现状堤防存在的诸多问题，对瘦小断面进行加宽培厚达到标准断面要求，对堤顶及堤坡进行工程防护满足堤坡稳定，兼顾达到生态效果。让柳河防洪工程更加因地制宜，是符合柳河地处特殊环境的要求，满足柳河自身特点的需求。此比选方案也可作为类似地区方案的参考，具有一定借鉴意义。

图6 治理前后对比图