柳河新民農(nóng)村段粉砂質(zhì)堤防設(shè)計的探討

孟偉龍

(遼寧澤峰水利規(guī)劃設(shè)計有限公司，沈陽 110004)

1 工程概況

柳河是遼河中下游右側(cè)的一條多泥沙支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古庫倫旗扣河子鎮(zhèn)五星村，流經(jīng)內(nèi)蒙古的庫侖旗、遼寧省阜新縣、彰武縣、新民市等四個縣旗(市)，在新民市城南王家堡村附近注入遼河[1]。河流全長302km，總流域5798km2。其中遼寧省境內(nèi)鬧得海水庫以下河道全長142.5km，流經(jīng)彰武、新民兩縣市，區(qū)間流域面積1674 km2。

擬建堤防工程建設(shè)區(qū)涉及新民市的3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)6個村，總耕地面積5838hm2，總?cè)丝?1252人。目前新民農(nóng)村段堤防現(xiàn)狀全線未達標，無法滿足防洪需要，在2017年汛期后更加凸顯其防洪保護作用的重要性，堤防加固工程亟待完善。

項目區(qū)地處遼西干旱少雨地帶，現(xiàn)狀土壤黏粒含量略有不足，再加上本地區(qū)植被稀少，風沙影響大等因素，現(xiàn)狀堤防為粉砂夾粉土填筑而成，筑堤土料粒徑較小，堤身斷面表層土料易被剝離，遇大雨沖刷，易形成沖蝕溝槽。存在的主要問題為堤身欠高欠寬、堤坡和堤頂無防護、堤防不滿足滲透穩(wěn)定，亟需加固治理。

2 堤線布置原則

本次柳河農(nóng)村段粉砂質(zhì)堤防加固治理堤線選擇遵循以下原則：

1)堤線走向布置應(yīng)符合水流流態(tài)要求，行洪寬度合理，堤線應(yīng)與河道大洪水主流線大致平行，兩岸上下游堤距應(yīng)協(xié)調(diào)，不宜突放或縮小。

2)堤線應(yīng)力求平順，各堤段用平緩曲線相連，不宜采用折線或急彎。河道彎曲段，要采取較大彎曲半徑，避免急轉(zhuǎn)彎及折線。

3)堤線的選擇要順應(yīng)河勢，應(yīng)使主流平順，并與大洪水主流方向大致平行。

4)堤線一般應(yīng)修筑在地質(zhì)條件較好，且比較穩(wěn)定的基礎(chǔ)上。

5)堤線布置時，應(yīng)布置在拆遷房屋及其他工廠等建筑物少，占地小并有利于防洪搶險和工程管理，應(yīng)盡量多保護土地。

3 工程治理方案

根據(jù)地勘成果，擬治理段堤防、堤基、筑堤土料主要為粉砂夾粉土，結(jié)合遼寧省大江大河相關(guān)堤防治理經(jīng)驗，初選方案如下：

3.1 方案一：臨水堤坡加覆黏土方案

該方案以臨水堤坡加覆黏土為主，背水堤腳加蓋重(背水堤坡貼坡排水)為輔的措施，斷面圖見圖1。

圖1 臨水堤坡加覆黏土方案斷面圖

該方案可以有效降低背水坡滲流比降，增加臨水坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)，施工方便。缺點是項目區(qū)沿岸缺乏黏土料場，原設(shè)計堤頂寬為4.5m，考慮防汛期間車輛通行較為頻繁及粉砂性質(zhì)土堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，堤頂寬度優(yōu)化為5m。

3.2 方案二：截滲墻方案

20世紀90年代末，南方河流開始采用截滲墻措施加固堤防，針對村屯密集，居民搬遷有一定難度的情況，計劃利用截滲墻對背河側(cè)村莊密集的堤段進行加固，將截滲墻從堤防臨河側(cè)堤肩垂直打入至堤基不透水層，斷面圖見圖2。

圖2 截滲墻方案斷面圖

該方案在我國南方應(yīng)用廣泛，具有連續(xù)造墻、施工速度較快、占地范圍小等特點；但該技術(shù)需采用開槽法施工，受大堤土質(zhì)較差及密實度差異大、堤身裂隙發(fā)育、施工期高位護壁泥漿易側(cè)滲等問題的影響，對地質(zhì)條件要求高，很難在堤基找到相對不透水層，修建的截滲墻大多為懸掛式，滲控效果大打折扣[2]。而且在截滲墻施工后一段時間內(nèi)造成背河側(cè)村莊地下水位迅速下降，使機井短時期內(nèi)取不上水，群眾意見較大。

3.3 方案三：臨水坡防滲膜+臨水坡坡腳垂直鋪塑方案

該方案堤坡采用復合土工膜進行防滲，坡比為1∶3.5。復合土工膜向上鋪至設(shè)計水位以上0.5m，并水平向堤內(nèi)延伸約0.5m后下壓至錨固溝內(nèi)，向下鋪至堤腳地面以下0.5m并水平延伸2m，堤坡段和堤腳水平段上壓1.0m厚黏土或粉質(zhì)黏土。堤坡防滲回填后，坡面進行撒播草籽，以防止水土流失。堤坡防滲材料根據(jù)《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(SL/T225-98)和以往工程實踐經(jīng)驗選用規(guī)格為SN2/PVC-5-400-0.3的復合土工膜(二布一膜)。結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖3 臨水坡防滲膜方案斷面圖

此方案可以很好地降低背水坡滲流比降，但由于柳河現(xiàn)狀以粉砂土為主，該方案須在堤坡覆蓋1m厚的砂壤土保護層，砂性土與土工膜的接觸面有可能形成滑裂面，降低防滲效果，且迎水坡垂直鋪塑會增加占地范圍。

3.4 方案四：清基土植草+棱體排水方案

該方案迎背水坡設(shè)采用清基土結(jié)合三維植草墊結(jié)構(gòu)，背水坡采用棱體排水，解決上游岸坡穩(wěn)定、下游排水不暢等問題，同時為了避免新民農(nóng)村河段風沙較大水土流失嚴重的問題，迎背水坡面均采用三維植草網(wǎng)墊防護。

圖4 清基土植草+棱體排水方案斷面圖

三維土工網(wǎng)墊是一種新型土木工程材料，屬于國家高新技術(shù)產(chǎn)品目錄中新型材料技術(shù)領(lǐng)域重復各材料中的增強體材料[3]。質(zhì)地疏松、柔韌，留有90%的空間可充填土壤、沙礫和細石，植物根系可以穿過其間，舒適、整齊、均衡的生長，長成后的草皮使網(wǎng)墊、草皮、泥土表面牢固地結(jié)合在一起，但該材料不可常年暴露于陽光下。

3.5 方案五：防洪墻方案

防洪墻結(jié)構(gòu)堤防目前已在撫順、沈陽等城市河段采用，以兼顧的懸臂式混凝土擋墻為主體結(jié)構(gòu)，上下游填筑土方筑堤，形成良好的生態(tài)景觀堤防，因其良好的抗沖能力而被用于很多城市河段堤防。防洪墻采用懸壁式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平均墻高5.5m，底板厚度0.6m，墻體懸壁頂寬0.5m，懸壁底寬0.6m，防洪墻每隔15m設(shè)變形縫，縫內(nèi)設(shè)橡膠止水，并采用聚乙烯泡沫塑料板填縫。混凝土防洪墻埋深于堤防之中，堤防堤頂寬4.5m，堤防背水側(cè)邊坡1∶3.5，迎水側(cè)邊坡為1∶3.5。

圖5 截滲墻方案斷面圖

該方案在幾種比選方案中造價最高，且施工復雜，且填筑土體多為粉砂，與截滲墻結(jié)合部位易出現(xiàn)滑裂面發(fā)生滑塌，堤頂若有車輛荷載則對堤坡安全影響較大。

5種方案優(yōu)缺點比較見表1。

表1 方案初選優(yōu)缺點對比表

通過分析可知，方案二雖然占地小，但是現(xiàn)狀堤防不滿足規(guī)范要求，加高培厚以后占地面積仍不能得到優(yōu)化，且可研階段占地工作已經(jīng)完成，考慮到柳河左岸地質(zhì)條件較為復雜，故不推薦此方案；方案三目前已在遼寧省遼河、渾河、太子河、繞陽河等河道應(yīng)用，但柳河現(xiàn)狀砂性粉土回填易形成滑裂面，且大堤坡面遭受沖刷后防滲膜容易外露，影響結(jié)構(gòu)安全，故不推薦此方案；方案五多用于城市河段堤防建設(shè)，造價高，施工慢，且應(yīng)用于柳河接觸面易產(chǎn)生滑裂，故不推薦此方案。下面對方案一和方案四進行詳細方案比選論證：

方案一采用不透水的黏性土作為迎水一側(cè)填筑材料起到一定防滲作用，方案四重點在于背水側(cè)堤腳的水平排水棱體降低浸潤線；方案一坡面黏土防滲層所用黏土料運距很遠，料場多為百姓現(xiàn)有耕地，占用黏土料場后須考慮社會穩(wěn)定因素，且黏土外運的過程可能對沿程公路造成環(huán)境污染，不利于綠水青山的建設(shè)，因此從生態(tài)和節(jié)能等多重角度考慮，故方案四總體效果略優(yōu)于方案一，施工難度相差不大，針對典型斷面進行經(jīng)濟比較見表2。

表2 方案一與方案四造價對比表(典型斷面每延米投資估算)

通過表2典型斷面每延米投資，方案一為5558.4元，方案四較方案一節(jié)省755.1元，再考慮占地情況方案四較方案一具有更大的優(yōu)越性，能夠節(jié)省大量的占地投資。

通過方案比較，方案四在經(jīng)濟、投資方面更加合理，故方案四作為本工程設(shè)計的推薦方案。

4 堤防實施效果分析與思考

由于地域條件的關(guān)系，柳河河床及岸灘土質(zhì)特殊，素有“小黃河”的稱謂，現(xiàn)狀老堤防及河灘以粉砂為主，用于筑堤存在諸多問題，但通過本次方案比選后，采用三維植草墊護坡結(jié)合棱體排水護腳的方式，可以有效解決堤坡風侵雨蝕、堤身滲透破壞等問題。通過三維植草墊在堤坡表面形成穩(wěn)固的苗床，讓草籽可以更好地穩(wěn)固堤坡，形成生態(tài)護坡；棱體護腳更好地降低背水坡浸潤線及出逸點，同時防止周邊村民的農(nóng)用車隨意上堤導致堤坡破壞，一舉兩得。通過治理前后照片對比，可知通過堤防加高培厚改善柳河現(xiàn)狀堤防存在的諸多問題，對瘦小斷面進行加寬培厚達到標準斷面要求，對堤頂及堤坡進行工程防護滿足堤坡穩(wěn)定，兼顧達到生態(tài)效果。讓柳河防洪工程更加因地制宜，是符合柳河地處特殊環(huán)境的要求，滿足柳河自身特點的需求。此比選方案也可作為類似地區(qū)方案的參考，具有一定借鑒意義。

圖6 治理前后對比圖