董 軍

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

0 前 言

遼河流域素有“東水西沙”之稱，西部支流隨洪水下泄泥沙淤積在遼河兩岸，是遼河沖積平原形成的主要原因，追根溯源，泥沙又主要來(lái)自于蒙古高原，水流侵蝕以及風(fēng)蝕將蒙古高原上大量的粉細(xì)砂特別是顆粒更細(xì)的粉砂搬運(yùn)至遼寧省西北部和遼河流域的大部分地區(qū)。

遼河干流堤防系統(tǒng)建設(shè)于上世紀(jì)末，標(biāo)準(zhǔn)偏低，無(wú)法滿足《遼河流域防洪規(guī)劃》需求，需要進(jìn)行提標(biāo)治理，由于加固線路較長(zhǎng)，在滿足工程結(jié)構(gòu)安全的前提下，控制工程投資也非常重要，因此加固堤防就地取材，采用河灘地粉細(xì)砂筑堤就成為必然的選擇。但依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286，粉細(xì)砂筑堤需采取相應(yīng)處理措施以確保工程安全。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

遼河兩岸地層以新生界地層為主，第四系地層沉積連續(xù)，層序齊全，成因復(fù)雜，分布廣泛，厚度大；遼河上游汎河地層小區(qū)分布有元古界、古生界、中生界等地層。從上游東西遼河匯合口至下游盤(pán)錦入海口，總體地勢(shì)呈北高南低，從上游至下游地貌形態(tài)成因類型依次為剝蝕丘陵渾圓狀低丘Ⅲ2-3-2(康平～法庫(kù))、沖洪積平原緩傾斜高地Ⅲ3-1-1(法庫(kù)～新民)、沖洪積平原河間平地Ⅲ3-1-2及沼澤化洼地Ⅲ3-1-3(新民～臺(tái)安)、沖海積平原濱海洼地Ⅲ3-2(盤(pán)錦)等。從上至下第四系沉積厚度逐漸增厚，尤其進(jìn)入盤(pán)錦市區(qū)，覆蓋層地層急劇加厚；結(jié)構(gòu)層次上從簡(jiǎn)單逐漸過(guò)渡到復(fù)雜；巖性在水平方向上基本上是由粗變細(xì)，由級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂為主層，變至以含細(xì)粒土砂、粉土質(zhì)砂為主層，最后變成黏性土和含細(xì)粒土砂互層。下游黏性土和含細(xì)粒土砂筑堤不是文章研究范圍，文章主要研究上游粉細(xì)砂及細(xì)砂筑堤。

遼河河灘地粉細(xì)砂及細(xì)砂的基本物理力學(xué)指標(biāo)為：滲透系數(shù)K=1-4×10-3cm/s，內(nèi)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，壓實(shí)后重度可達(dá)1.7g/cm3以上，臨界水力比降Jcr =0.8-0.9(二級(jí)堤防安全系數(shù)為2.0)。

1.2 堤防概況

遼河全河兩岸堤防總長(zhǎng)度超過(guò)600km，其中絕大部分低于規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，石佛寺水庫(kù)以上低于標(biāo)準(zhǔn)比例超過(guò)80%，是這次研究的主要對(duì)象。石佛寺水庫(kù)以上堤防除有少部分為鐵嶺城市段達(dá)標(biāo)堤防外，其余均為農(nóng)村段堤防，現(xiàn)狀堤防(建設(shè))標(biāo)準(zhǔn)為20-30a一遇，規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇。本段堤防平均高度在4.5-6.5m，堤前設(shè)計(jì)水深一般在3-4.5m，堤前堤后地面高程基本相當(dāng)，局部有深坑不連續(xù)?，F(xiàn)狀堤防(建設(shè))頂寬基本為6m，迎水邊坡1∶2.5，背水邊坡1∶3.5或1∶5，經(jīng)多年沉降，堤防壓實(shí)度接近規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)大范圍鼠洞蟻穴，堤防建成后近30年間未發(fā)生潰堤、漫堤等情況，堤身管護(hù)情況尚可，護(hù)堤林及防浪林缺失較為嚴(yán)重。

現(xiàn)狀遼河堤防迎背水均設(shè)置有護(hù)堤地，但護(hù)堤地土地產(chǎn)權(quán)情況有一定爭(zhēng)議；護(hù)堤地寬度臨水側(cè)一般有50m，背水側(cè)20m，護(hù)堤地范圍內(nèi)均栽種有楊樹(shù)、柳樹(shù)、榆樹(shù)等喬木，屬性一般為經(jīng)濟(jì)林，臨水側(cè)局部被劃定為公益林。

2 處理方案比選

根據(jù)相關(guān)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)粉細(xì)砂筑堤處理方案有工程案例且經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行(部分未受水)效果尚可的包括(但不限于)：臨水擋墻+防滲措施、臨水防護(hù)+背水排水措施、臨背水放緩邊坡措施、加大堤身斷面措施、兩側(cè)擋墻+中間加筋連接措施、黏土鋪蓋即金包銀措施、土工織物+邊坡防護(hù)措施等。其中由于臨水擋墻+防滲措施、臨水防護(hù)+背水排水措施工程造價(jià)過(guò)于昂貴，對(duì)于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的遼河兩岸適用性不高；臨背水放緩邊坡措施、加大堤身斷面措施均需要占用大量耕地和砍伐大量林木，從目前節(jié)約土地和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的大形勢(shì)下，方案可行性較低，因此以上4種型式不建議在遼河治理中采用，不對(duì)以上4種型式做進(jìn)一步分析，僅對(duì)兩側(cè)擋墻+中間加筋連接措施、黏土鋪蓋即金包銀措施、土工織物外包+邊坡防護(hù)措施等3種型式進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較分析，并結(jié)合遼河特點(diǎn)說(shuō)明各種型式的適用性。

2.1 兩側(cè)擋墻+中間加筋連接措施

該種工程型式為利用兩側(cè)擋土墻之間的筋帶，將兩側(cè)擋土墻連接成一個(gè)整體，通過(guò)墻厚墊無(wú)紡布防止土粒從擋墻之間縫隙流出，對(duì)抗土體及其上荷載產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力，主要依靠?jī)蓚?cè)擋土墻之間的筋帶，目前隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，加筋材料從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性、工程造價(jià)等各方面均具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)內(nèi)很多工程中采用了單側(cè)擋墻和雙側(cè)擋墻加筋的型式，運(yùn)行效果也較為理想，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 兩側(cè)檔墻+中間加筋結(jié)構(gòu)圖

該型式優(yōu)點(diǎn)主要有三點(diǎn)，一是節(jié)省占地，由于直立擋墻不需要放坡占地，相同頂寬情況下，占地只相當(dāng)于其他型式的1/2-1/3；二是節(jié)省土方，相比于傳統(tǒng)均質(zhì)斜坡土堤，其土方用量可節(jié)省1/3以上；三是材料采購(gòu)難度低，建筑材料工業(yè)化程度高，加筋材料生產(chǎn)工藝難度低、產(chǎn)量高，兩側(cè)擋墻砌塊目前各地均有大量企業(yè)生產(chǎn)，供應(yīng)量充足。缺點(diǎn)主要為兩點(diǎn)，一是堤頂抗重載車輛通行能力低，由于兩側(cè)砌塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制及施工水平限制，堤頂兩側(cè)各1m范圍內(nèi)通車特別是重載車輛，易對(duì)擋墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，堤頂一般僅限中小型車輛通行；二是不適合加高超高1.2m的堤防，由于兩側(cè)均為直立式擋土墻，加之農(nóng)村段堤防兩側(cè)均設(shè)置護(hù)欄的可行性不高，堤頂車輛及行人的通行安全必須作為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的考慮要素之一，過(guò)高的擋墻易給脫離堤頂車輛及行人嚴(yán)重墜落傷害。

2.2 黏土鋪蓋即金包銀措施

該種工程型式核心為利用黏性土料的抗沖性能和抗剪切能力，在粉細(xì)砂堤身外包一定厚度的粉質(zhì)黏土，在不大范圍增加堤防邊坡的情況下，降低堤身滲流量和浸潤(rùn)線高度。同時(shí)利用粉質(zhì)黏土凝聚力較高的特點(diǎn)，解決背水邊坡滲流破壞問(wèn)題和臨水邊坡滑動(dòng)破壞問(wèn)題。遼河、柳河、繞陽(yáng)河等現(xiàn)狀堤防部分采用了此種型式，多年來(lái)運(yùn)行效果較好，且由于粉質(zhì)黏土對(duì)生態(tài)恢復(fù)較為有利，比較符合目前生態(tài)治河的總體形勢(shì)。結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 黏土鋪蓋結(jié)構(gòu)圖

該型式優(yōu)點(diǎn)主要有2點(diǎn)：①生態(tài)自然，建筑材料全部為天然建材，無(wú)化工材料，對(duì)周邊環(huán)境無(wú)污染，且有利于坡面植被生長(zhǎng)；②結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定有保障，工程案例較多且經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，在對(duì)抗洪水沖刷和風(fēng)剝雨蝕中效果均較為突出，目前尚無(wú)該型式滲流及穩(wěn)定破壞的相關(guān)報(bào)道。缺點(diǎn)主要為兩點(diǎn)，一是黏性土料缺乏，遼河兩岸包括保護(hù)區(qū)內(nèi)黏性土料均較為缺乏，遼河幾百萬(wàn)立的堤防加固土方用量致使料場(chǎng)尋找極為困難；二是土料場(chǎng)開(kāi)采對(duì)環(huán)境和土地影響方面較難通過(guò)行業(yè)許可，由于黏性土料場(chǎng)多數(shù)為耕地，少數(shù)荒地儲(chǔ)量有限，目前國(guó)家加大對(duì)環(huán)境破壞的監(jiān)察力度和耕地保護(hù)力度，大量占用耕地作為筑堤土料場(chǎng)審批難度較大，同時(shí)料場(chǎng)開(kāi)采后耕地恢復(fù)費(fèi)用也比較高。

2.3 土工織物+邊坡防護(hù)措施

該種工程型式主要利用土工織物的包裹加強(qiáng)作用，提高粉細(xì)砂穩(wěn)定邊坡，并采用硬性防護(hù)防止堤坡洪水、雨水沖刷及春秋季節(jié)植被覆蓋率較低時(shí)的風(fēng)剝侵蝕。結(jié)構(gòu)上與兩側(cè)擋墻+中間加筋連接措施有相通之處又有較大差別，其中利用硬性工程防水沖、風(fēng)剝的原理是相通的，但硬性防護(hù)工程的穩(wěn)定原理又是截然不同的，兩側(cè)直立擋墻的穩(wěn)定除依靠重力作用外，幾乎全部依靠中間筋帶的牽拉作用，而土工織物+邊坡防護(hù)中的硬性防護(hù)本身是處于穩(wěn)定邊坡?tīng)顟B(tài)，也就是內(nèi)部的土工織物與護(hù)坡可以是相連的，也可以是獨(dú)立的。另外，由于該種型式的邊坡一般均在1∶2以上，因此堤頂通行安全方面有了較大的改善，使得該型式可以適用于不同堤防高度的堤型選擇上，適用范圍有了較大的提高。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3(繞陽(yáng)河新民市段)。

圖3 土工結(jié)構(gòu)+邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)圖

該型式優(yōu)點(diǎn)主要有兩點(diǎn)，一是相對(duì)節(jié)省工程占地和筑堤土料，相對(duì)于一般土堤放坡(≥1∶3.5)以解決穩(wěn)定問(wèn)題，該種型式邊坡可以依據(jù)需要在1∶2以上任意選擇，節(jié)省了堤身占地和筑堤土料；二是迎背水兩側(cè)防護(hù)確保堤身斷面多年完整，該典型工程處于風(fēng)剝段，在此之前一般土堤建而復(fù)損、損而復(fù)建多次，幾乎兩三年時(shí)間新筑堤防就有大半受損，但本工程建成后至今十幾年以來(lái)堤身斷面完好。缺點(diǎn)一是由于兩側(cè)均為硬性防護(hù)，生態(tài)效果不佳，與周邊環(huán)境融合性較差；二是工程單體投資相對(duì)較高，土工織物從上至下分布增加一定投資，兩側(cè)硬性防護(hù)又在原基礎(chǔ)上增加一定投資，據(jù)初步估算，相比于一般土堤工程投資增加1/2左右，對(duì)于大范圍應(yīng)用是明顯的制約[1]。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)遼寧省經(jīng)濟(jì)整體發(fā)達(dá)程度較南方省份差一些，因此工程治理的投資在方案設(shè)計(jì)中較為敏感，設(shè)計(jì)人員在方案比選時(shí)確保結(jié)構(gòu)安全前提下，務(wù)必將經(jīng)濟(jì)指標(biāo)放在重要位置。

2)遼寧地形特點(diǎn)可歸結(jié)為東南部多山區(qū)、西北部多丘陵、中部基本為平原，其中西北部丘陵地帶及中部平原的大部分地區(qū)，地表覆蓋主要以粉土和粉細(xì)砂為主，河流兩岸黏性土料很少，地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)決定了就地取材，采用粉細(xì)砂筑堤是很多地區(qū)無(wú)法回避的問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是研究如何在經(jīng)濟(jì)較為合理的情況下利用粉細(xì)砂筑堤，確保防洪安全、生態(tài)友好。

3)介紹的幾種粉細(xì)砂筑堤型式包括粉細(xì)砂改性等在全國(guó)和省內(nèi)均有不少案例，效果也不盡相同，研究重點(diǎn)是應(yīng)用于遼河的堤防加固，依據(jù)遼河的實(shí)際特點(diǎn)選用適合的型式是確保工程效果的關(guān)鍵。

4)根據(jù)遼河堤防加固和運(yùn)行需求特點(diǎn)，建議結(jié)合各方案優(yōu)勢(shì)，探索采用土工織物外包粉細(xì)砂+覆蓋耕植土(清基土改良)型式的可行性，遼河堤防欠高欠寬數(shù)值均不特別高，風(fēng)剝雨蝕程度也相對(duì)較輕，同時(shí)遼河堤防寬闊，除個(gè)別主流近堤段以外，堤前流速不大，水流相對(duì)平穩(wěn)，因此有必要采用硬性護(hù)坡的范圍不大，多數(shù)可采用生態(tài)性更好的耕植土覆蓋護(hù)坡。堤防加固產(chǎn)生大量清基土，清基土中富含植被根系，根據(jù)其特點(diǎn)輔以必要的改良藥劑和有機(jī)肥料，即可作為護(hù)坡耕植土，在降低護(hù)坡土料開(kāi)采工程造價(jià)的同時(shí)還能減少清基土外運(yùn)量，節(jié)省工程投資和減少環(huán)境破壞[2]。