砂礫石土筑堤技術(shù)在北汝河堤防治理工程中的應(yīng)用

劉美義，金 鑫

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽省 蚌埠市 233001；2.天津水利電力機(jī)電研究所，薊縣 301900）

1 北汝河治理堤防工程的特點

河南省北汝河是淮河流域沙潁河水系的主要支流，西南與沙河毗鄰，西北以伏牛山為界，東北與潁河相接。北汝河發(fā)源于伏牛山區(qū)，流經(jīng)嵩縣、汝陽縣、汝州、寶豐、郟縣、葉縣和襄城縣，干流河道長250km，控制流域面積6080km2。北汝河在紫羅山以上屬山區(qū)河道，河道寬200～1000m，河床質(zhì)為卵石夾砂，河底比降1%～0.33%，河道比降較陡；紫羅山至襄城段為淺山丘陵區(qū)，河槽驟然變寬，河道行洪寬度為1000～2000m，河床質(zhì)為卵石夾砂，河床比降0.30%～0.17%；襄城以下為平原區(qū)，河道變窄，最窄處僅有100～200m，河床質(zhì)為砂，河道比降平緩。北汝河復(fù)雜的自然地理和水文特征造就了沿岸堤防的特點：

（1）河道堤防質(zhì)量差，防洪標(biāo)準(zhǔn)低，現(xiàn)狀砂堤難以控制洪水。

建國以來，北汝河未經(jīng)系統(tǒng)治理，兩岸現(xiàn)狀堤防長約130km，但現(xiàn)狀堤防矮小、質(zhì)量差，防洪標(biāo)準(zhǔn)不足10年一遇。特別是上、中游堤防多采用砂礫石堆筑，因風(fēng)浪沖蝕體系已不完整，且許多地段無堤防，現(xiàn)存堤防高度1～3m，堤頂寬1～4m，堤防工程不達(dá)標(biāo)；下游堤防雖較完整，多采用粘土筑堤，堤高4.5～5.0m，堤頂寬4～7m，但砂質(zhì)河岸險工較多。汛期暴雨來臨時原有堤防難以約束峰高量大流急的洪水，河道漫堤行洪，嚴(yán)重威脅著沿河兩岸人民群眾生命和財產(chǎn)安全。

（2）砂質(zhì)河床穩(wěn)定性差，主河槽游蕩不定，極易淘沖堤腳。

北汝河干流無大型洪水控制工程，上游山區(qū)雨量不均，河道來水量變化過程復(fù)雜，各河段的比降變化大，河床內(nèi)亂掘地多，坑洼不平，河床形態(tài)復(fù)雜，造床流量范圍廣。因此北汝河上游段主流深泓經(jīng)常偏移，游蕩不定，甚至局部存在橫流現(xiàn)象，水流往往直逼堤腳，影響河勢穩(wěn)定；下游床道彎道多變，迎流頂沖造成灘地陡峭，形成了大量險工段。

（3）砂質(zhì)堤防防滲能力差，抗沖能力不強(qiáng)，堤防防護(hù)困難。

汛期洪水高水位時，堤基、堤身滲漏，堤防邊坡失穩(wěn)、坍塌現(xiàn)象嚴(yán)重。河床寬闊，風(fēng)大浪急，砂卵石堤防自身防護(hù)性能差，風(fēng)雨侵蝕嚴(yán)重。

2 治理工程筑堤材料的選擇

北汝河堤防工程級別為5級，按照10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)治理。由于河道長，投資規(guī)模大，且涉及多個縣市，國家擬對河道治理按照輕重緩急分年度開展，其中汝州段和郟縣河段堤防治理工程特點突出。汝州到郟縣段河道總長55.70km，河床卵石層深厚，河道平均縱比降為2‰，屬寬淺式河道，主流散亂，現(xiàn)狀兩岸堤防結(jié)構(gòu)主要為砂卵石、漿砌河卵石，局部采用粉質(zhì)粘土、粘土筑堤，堤防不連續(xù)，缺口多。治理工程重新規(guī)劃堤線，對部分堤段鏟除老堤新筑堤，部分堤段對老堤進(jìn)行加固。

按照建筑材料，堤防可分為土堤、砂堤、石堤和混凝土堤四種，石堤、混凝土堤主要應(yīng)用于海岸、取土困難的城區(qū)段，造價高，因此本河道堤防不適合采用這兩種堤型。根據(jù)規(guī)范并參照已有工程的實踐經(jīng)驗，本河道堤防設(shè)計一般斷面堤頂寬6m（城區(qū)段堤頂結(jié)合交通需要加寬至10m），堤防高度5m左右，迎水坡坡比1:2.5，背水坡坡比1:2（城區(qū)段結(jié)合景觀邊坡1:5）。據(jù)統(tǒng)計，北汝河新筑堤防總長135.64km，填筑土方量約900萬m3，加固堤防總長132.14km，填筑土方量約400萬m3，修筑堤防需要大量的土方量，若采用粘性土筑堤，將大量的征用土地。為保障我國的糧食安全，國家要求到2020年確保中國的18億畝耕地不變，占用大量農(nóng)田取土筑堤無論從經(jīng)濟(jì)上還是政策上都是不允許的。同時，北汝河河道內(nèi)砂卵石料豐富，就地取用河道內(nèi)的砂礫石填筑堤防是專家們的共識。規(guī)劃北汝河總計采用砂礫石筑堤土方量為1100萬m3，占總筑堤方量的85%，其中汝州、郟縣總筑堤方量630萬m3，將全部采用河床砂礫石土筑堤。為確保筑堤成功，對砂卵石筑堤采取切實合理的設(shè)計方案十分重要。

3 砂礫石堤防設(shè)計要素

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和砂礫石土的散粒特征，北汝河現(xiàn)狀堤防損壞的主要形式為滲透破壞和水流沖刷破壞，因此做好砂礫石堤的防滲、防沖和防護(hù)設(shè)計是北汝河堤防設(shè)計的關(guān)鍵所在。

3.1 防滲設(shè)計

北汝河上游河道地貌單元屬沖洪積平原，河道及兩側(cè)堤基主要為砂卵石層，厚8～15m，卵礫石層厚度大，分布范圍廣，分選性差。在沖、洪積作用下，砂、卵石、礫石、漂石混雜，并夾有砂壤土和少量粘壤土，砂礫石層滲透性強(qiáng)，抗沖刷能力低，堤基、堤身滲透系數(shù)A×-2cm/s，允許水力坡降0.20，工程地質(zhì)條件分類為C類。對堤防典型斷面進(jìn)行滲流及滲透穩(wěn)定分析表明，無防滲措施情況下計算堤身、堤基計算水力坡降均大于0.20。

堤身防滲比選了斜墻防滲和垂直防滲兩種方案，由于堤基砂卵石層較厚，采用垂直截滲深度大，造價高，汝州、郟縣段堤身防滲采用斜墻防滲，即在迎水面混凝土護(hù)坡下布置防滲體，防滲體采用重度500g/m2的復(fù)合土工膜，PE膜厚0.5mm，土工膜頂高程超過洪水位0.50m。

堤基防滲比選了水平防滲和垂直防滲兩種方案，考慮北汝河上中游段洪水歷時短的特點以及便于施工，堤基防滲結(jié)合混凝土護(hù)坡鎮(zhèn)腳布置，采用垂直防滲，即將迎水面斜坡上的土工膜埋設(shè)于鎮(zhèn)腳底，深2.0m，詳見圖3.1。通過對設(shè)置防滲體的設(shè)計堤防斷面進(jìn)行滲透穩(wěn)定計算，計算水力坡降小于0.14，計算水力坡降小于允許水力坡降，堤身、堤基能夠滿足滲透穩(wěn)定要求。

圖2 土工膜斜坡鋪設(shè)

3.2 防沖設(shè)計

3.2.1 堤腳防沖設(shè)計

北汝河上中游河道造床流量范圍廣，砂卵石河床穩(wěn)定性差，主流擺動經(jīng)常直逼堤腳。根據(jù)堤岸沖刷深度計算，堤腳沖刷深度達(dá)1.5m之多。為防止水流淘沖堤腳，堤防混凝土護(hù)坡下設(shè)置高2.0m、頂寬0.45m、底寬0.85m的直角梯形混凝土鎮(zhèn)腳，鎮(zhèn)腳頂高程與河床平齊。水流沖刷容易使得鎮(zhèn)腳前形成深坑，按照擋土墻理論計算鎮(zhèn)腳的穩(wěn)定性，在設(shè)計沖坑深度下鎮(zhèn)腳抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.0。為此，在鎮(zhèn)腳前設(shè)置底寬1.0m、頂寬3.4m、深2.0m的拋石防沖槽，防沖槽結(jié)合鎮(zhèn)腳基坑開挖布置。由于汝州、郟縣段河道內(nèi)分布有大量的卵礫石，防沖槽采用河床內(nèi)的大粒徑卵礫石拋填，要求卵石粒徑大于100mm。

3.2.2 堤身防沖設(shè)計

北汝河汝州至郟縣段10年一遇設(shè)計洪水流量3520～4420m3/s，水流流速高、風(fēng)浪大，這是造成北汝河兩岸堤防損壞的主要原因，因此必須對砂卵石堤迎水坡采取防沖措施。經(jīng)草皮護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡、混凝土護(hù)坡等多方案比選，汝州、郟縣城區(qū)段大堤迎水面采用C20現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡，護(hù)坡混凝土板厚0.12m，分塊尺寸4.0×4.0m。對于非城區(qū)段，堤身迎水側(cè)防沖采用格賓網(wǎng)防沖措施。格賓網(wǎng)箱內(nèi)就地取用河床的卵礫石填充，各箱體之間采用格賓材料鏈接形成整體。

圖3 堤身格賓護(hù)面

3.2.3 灘岸防沖設(shè)計

北汝河許多堤段灘地較窄，中小洪水時主流貼岸沖刷，迎流頂沖，岸坡崩退速度快、控制難，許多地段已嚴(yán)重威脅堤防的安全，并對河勢發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。若不及時防護(hù)，可能導(dǎo)致河勢進(jìn)一步惡化，給以后的治理工作帶來困難。以前治理時采用過砂礫石外包混凝土丁壩等措施治理，治理效果差，丁壩因基出淘沖窩崩現(xiàn)象嚴(yán)重。本次治理上游段河槽水深度0.5～2m，主要采用格賓網(wǎng)護(hù)岸，坡比較緩的灘岸采用30cm厚格賓網(wǎng)護(hù)砌，岸坡陡直段采用格賓擋墻護(hù)岸。

下游段水深7～8m，采用格賓網(wǎng)護(hù)岸施工難度較大，主要采用施工相對容易的拋石護(hù)岸，為防止拋石被水流沖走，拋石護(hù)岸底部設(shè)置一塊或數(shù)塊尺寸1.5×1.5×1.5m的格賓箱護(hù)腳。

3.3 堤身防護(hù)

砂堤容易遭受雨雪侵蝕，工程經(jīng)驗證明，未采取防護(hù)措施的砂堤上雨淋溝密布，滑坡、坍塌現(xiàn)象嚴(yán)重。為保證堤坡能夠植草護(hù)砌，堤防背水坡及迎水坡未采用護(hù)坡的堤面設(shè)置0.5m厚種植土保護(hù)層，種植土與砂卵石料同時填筑，然后在種植土上采用植草護(hù)坡。為保證堤身內(nèi)滲水及時排出，堤防背水坡堤腳耕植土防護(hù)層上可設(shè)置一定數(shù)量的砂卵石排水帶。局部堤段采用格賓護(hù)砌效果也較好。

北汝河汝州、郟縣段卵礫石土筑堤技術(shù)利用透水性材料堆筑成形維持堤防的穩(wěn)定性，迎水側(cè)混凝土護(hù)坡下設(shè)置斜墻防滲體，與砂礫石面板壩的設(shè)計異曲同工。工程設(shè)計中應(yīng)用了復(fù)合土工膜、格賓等新材料和新工藝，并且將防滲、防沖、防護(hù)三者有機(jī)結(jié)合，降低了工程造價，加快了施工速度，提供了工程質(zhì)量。建成的北汝河大堤既形成了河道的防洪安全屏障，又取得生態(tài)環(huán)保效益，得到河南省北汝河沿岸人民群眾的普遍贊譽(yù)。

圖4 建成后的汝州北汝河大堤

4 主要結(jié)論

（1）砂卵礫石土具有滲透性大、粒料無凝聚力的特點，砂礫石堤防必須采取一定的防滲和防護(hù)措施或?qū)χ滩牧狭线M(jìn)行改良。

（2）因河道主槽擺動，切實合理的灘地岸坡和堤腳防沖措施是確保砂卵礫石地基筑堤技術(shù)的重要內(nèi)容。

（3）采用河道清障的砂礫石和河道內(nèi)設(shè)置取土區(qū)，避免了因采用粘性土筑堤而征用大量土地，降低了建設(shè)單位征地等協(xié)調(diào)工作的難度，加快了施工進(jìn)度，降低了工程造價。

（4）就地取用河道內(nèi)的大粒徑卵礫石作為堤腳、堤身的防沖、防護(hù)材料，既保護(hù)了生態(tài)又發(fā)揮了環(huán)保的作用。

[1]北汝河綜合治理工程可行性研究報告(報批稿) [R]. 中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司, 2010.

[2]北汝河汝州和郟縣河段治理工程實施方案 [R]. 中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司, 2011.

[3]《堤防工程設(shè)計規(guī)范》GB 50286-98.