利用河道疏浚土方填筑堤防的技術研究

許長安（湖州市水利局水利水電工程質量監督站，浙江湖州 313000）

利用河道疏浚土方填筑堤防的技術研究

許長安
（湖州市水利局水利水電工程質量監督站，浙江湖州 313000）

根據已有的工程建設經驗，針對東南沿海地區平原河網的特點，通過對河道疏浚土方物理特性的分析研究，在現有疏浚船的基礎上，經過反復的試驗，對疏浚機械和施工工藝進行了研制和創新，成功地解決了土質堤防筑堤的土料來源和河道疏浚土方的利用兩大問題。并在工程實踐中探索出適當的填筑控制措施及控制性指標。經在“治理太湖”國家重點水利工程——湖州市導流港拓浚等工程中的實踐，取得了顯著的經濟效益和環保效益。繼而在南潯區萬里清水河道工程中推廣應用，也取得了良好的效果。

疏浚土筑堤；污泥脫水方法；多功能挖淤機械；分期填筑；穩定分析

1 概 述

河道堤防建設需要大量的土料，且筑堤土料的質量有一定要求，例如在太湖地區要求的是含水量在20%～25%范圍內的均質土料。但隨著城鎮化建設的推進，城市及新農村建設范圍不斷擴大，地方農田整治工程不斷拓展，土地資源的控制日趨嚴格，使得水利工程使用的取土、堆土場地越來越難征用，成本也不斷提高，導致場地征占費用超過工程建設費用的情況屢見不鮮。而且，河道疏浚造成的大量清淤土方又需堆放，借用場地的費用高，難度大。同時，清淤土方的堆放還會造成水土流失，引起生態環境失衡。它對土地及環境造成的不利影響，不是短時間內能夠復原的。這種筑堤需要征地取土，而清淤土又無處堆放的矛盾局面在長江下游廣大地區普遍存在。如何利用河道疏浚土方作為堤防筑堤土料，盡量少征（借）用現有的土地資源，是一個既具有經濟效益，又具有重大社會與環保效益的研究課題。

欲解決這個課題必須首先研究好幾個關鍵技術問題：①疏浚淤泥的脫水技術；②施工機械和工藝；③脫水淤泥的填筑標準和參數；④工程應用實例。下面將就上述幾個內容分別進行敘述。

2 疏浚淤泥脫水技術研究

疏浚淤泥的特點是黏土顆粒含量多，含水量高，強度非常低。它一般均呈軟塑狀，甚至流塑狀，車輛搬運非常困難?，F有的方法是一般在疏浚土上岸后，僅進行簡單的自然脫水，然后直接在預定堆場中進行堆填。因此，土中大量的水份就無法排出，這樣的土根本無法用于筑堤，即使用于一般場地的填土，人與機械也無法在其表面行走，故一般只能棄之不用。若要真正用于筑堤，則需將疏浚土進行大面積鋪曬，降低土的含水量，使壓實機械能壓實到要求的密度才能使用。按此方法處理，就需要大面積的翻曬場地，且工期很長，費用很高，現有的水利工程施工環境和工程的投資狀況都無法做到。

為此，必須對現有的疏浚、脫水、上岸設備及工藝技術進行研究和改造。根據平原河網地區的實際情況，考慮充分利用現有的施工工程機械設備和已有的技術儲備，針對水下疏浚土的物理特性，研制出了一種簡易的河道疏浚、淤泥脫水與輸泥的聯合機械裝置，如圖1所示。其工作流程如下：河道中的淤泥由挖斗式挖泥船［1］疏挖，挖斗挖出的底泥放入由挖泥船拖動的脫水船，脫水船中裝置了污泥格柵脫水設備進行第1次脫水，在輸送設備船中再經隔柵2次脫水過濾。過濾后的泥漿經特制的挖斗送至污泥上岸脫水機械裝置，聯動循環機械裝置將第3次脫水后的污泥輸送至堤防填筑工地，以備使用。該機械裝置處理能力為1 000 m3／d。

3 經脫水處理的疏浚土物理力學性質研究

在東苕溪導流港拓浚及東大堤加高加固工程試驗區取土，做了大量的填筑土性質指標的試驗。在該試驗區的不同地點、不同時間分別選取了230組筑堤用疏浚土，進行了含水量及干密度的測定。試驗表明，疏浚土經脫水上岸機械排入試驗區后，平均含水量為40%左右，平均干密度為0．85 t／m3。在良好排水條件下，經自然固結90 d后，土的含水量可降低到25%，平均干密度可達到1．2 t／m3。根據試驗數據繪制的試驗段回填疏浚土含水量和干密度與時間的線性關系如圖2所示。

圖1 SL15030型疏浚泥上岸筑堤機械裝置Fig．1 Dikefilled setup w ith the dredging m achine SL15030

圖2 筑堤疏浚土含水量和干密度與時間關系曲線Fig．2 Duration curves of water content and dry density for dredged soil

疏浚土的抗剪強度與固結時間有關。不同固結天數的疏浚土抗剪強度試驗指標見表1。

表1 筑堤疏浚土不同固結度的強度指標［2］Table 1 Shear strength indexes for dredged soil

4 苕溪防洪工程試驗段簡介

東、西苕溪防洪工程是太湖流域綜合治理十項骨干工程之一。其中東苕溪導流港拓浚及東大堤加高加固工程全長28．6 km。東苕溪導流港工程的任務以防洪為主，結合灌溉、供水、排澇并兼顧航運和環保等要求，達到綜合治理的目的。工程承擔了導引東苕溪流域2 265 km2洪水入太湖、保護杭嘉湖東部平原城鄉的防洪安全。試驗區所在的東大堤防洪標準為百年一遇，堤防按1級堤防設計，導流港河底高程需挖深至－3．0～－3．5 m，河底寬度擴大到60～63 m。導流港工程水下土方采用機浚，東大堤筑堤采用老堤土與機浚土方結合，筑堤高程在5．7 m（1985國家高程基準），堤寬40 m，填筑土方量為466．0萬m3。

5 試驗段堤基的深層滑動分析及基礎處理

試驗段堤防是在老堤基礎上加高筑成的，在采用疏浚土方進行填筑堤防的過程中，首先是要考慮填筑區基礎的穩定問題，因為在大量填筑疏浚土時，極易誘發堤基產生深層滑動。為此，我們對試驗段的導流港東大堤堤防基礎，針對不同斷面進行了深層滑動穩定分析，以確定在施工期堤防整體穩定安全系數［3］。

工程施工中，由于老堤地質條件較差，回填土料力學指標低，出現了6處塌方。堤防深層滑動穩定的一個重要影響因數是堤防下主要土層的土質情況。本地區堤防下0～－16 m高程處分布一層淤泥或淤泥質土，是控制大堤穩定的主要土層。不論采用優質黏土填筑還是疏浚土回填，在加高堤防的過程中都很容易引起深層滑動，造成堤防坍塌、滑坡等。因此防止堤防出現深層滑動是堤防穩定安全的一個基本保證［4］。

東苕溪導流港拓浚及東大堤加高加固工程中，對堤防深層滑動穩定進行了分析。根據設計洪水位下的正常情況和非常情況堤防穩定計算的結果，進行了部分斷面的調整，對不夠穩固的地段進行了軟土地基的加固處理。具體采用了塑料排水板、真空預壓、深層水泥攪拌樁、碎石樁等4種方法進行處理，解決了深層滑動穩定問題。調整后的斷面見圖3。對試驗段堤防在斷面調整并經過基礎處理后又進行了穩定復核，其成果如表2。

上述計算成果表明，堤防的整體滑動穩定安全系數已能滿足相應規范的要求，堤防基礎不會出現深層滑動。

6 疏浚土筑堤的施工和穩定分析

在確保了堤防深層滑動穩定后，疏浚土填筑的堤身填土質量、基礎清理、施工步驟、碾壓機械、天氣情況等方面又會影響堤身的淺層滑動穩定性。由于導流港工程填筑堤防高度約5 m，均為疏浚土方填筑，產生淺層滑動的可能性很大。

6．1 填筑斷面

導流港工程依內外堤腳線設置縱向子堰，順堤走向間隔一定距離設置橫向子堰，形成區格子堰［5］。河道側縱向子堰堰頂寬度為2～3 m、堰頂高程隨填筑高程確定，兩側邊坡為1∶1．5至1∶2；背水側子堰頂寬1～2 m，兩側邊坡為1∶2至1∶2．5，下游采用堆石排水棱體以利排水，其斷面如圖4所示。

圖3 導流港東大堤調整后堤防斷面Fig．3 Ad justed crosssection of East Dike

圖4 疏浚土筑堤設計斷面Fig．4 Design crosssection of the dike filled w ith dredged soil

6．2 填筑體一次性施工的穩定分析

按疏浚土一次性填筑5 m高度的梯形堤防進行穩定計算，其中疏浚土的強度采用快剪試驗值，基礎下土層按經過軟土地基處理后的土層考慮，使得計算范圍僅限于疏浚土填筑引起的淺層滑動的情況。根據試驗段的試驗和地勘資料，確定各土層的設計參數取值如下：回填疏浚土γ＝17．8 kN／m3，C快＝3．2 kPa，φ快＝3°，C固快＝8．4 kPa，φ固快＝15°；迎水側縱向子堰（黏土新筑）γ＝18．0 kN／m3，C快＝10 kPa，φ快＝10°；背水側縱向子堰（排水棱體）γ＝19．0 kN／m3，C快＝0 kPa，φ快＝40°；基礎下土層γ＝17．3 kN／m3，C固快＝11 kPa，φ固快＝11°。

經計算，施工期抗滑穩定安全系數K僅為0．679，若按此方式填筑必然發生滑塌，無法填筑成1∶2．5的邊坡，更無法將堤防加高5 m，因此必須改進施工方法，以保證填筑的可靠性。

6．3 施工方法的研究

上已指出，由疏浚土填筑的堤防若進行整體加載，相對高度通常在0．5～5．0 m之間將產生滑動。為此，根據導流港試驗區段的成功試驗，改變了施工方法，最終確定了“薄層輪加，分層碾壓，分期填筑，逐步固結”的操作流程［6］，并在后續工程中加以運用。導流港東大堤工程的分期回填情況詳見圖5。

圖5 疏浚土堤防分期填筑斷面Fig．5 Crosssection of the soil dredged dike by stage construction

6．4 分期填筑斷面的穩定分析

針對分期填筑中不同期間疏浚土的固結情況，分別進行穩定分析，以確定各分期堤防的淺層滑動穩定性。

第1分期加高1．5 m，第2至第3分期各加高1．0 m，第4分期加高0．5 m，根據現場試驗情況及分組穩定計算，初步確定每分期間隔時間為30 d，共4個間隔時間段，加上填筑施工的時間，總工期約6個月左右。根據以往工程施工經驗，本地區筑堤土方大約12個月左右沉降達到基本穩定，土體的固結基本完成。這時土的物理力學性質指標見表2。

經整體滑動穩定計算，采用分期加載方法施工，各時期的計算結果均能滿足堤防穩定的最低要求，同時能滿足施工期要求，詳見表3。

因此，確定分期間隔時間為30 d，據此，對試驗段施工進行控制，并在施工過程中對回填土特性指標（主要為含水量及干密度）進行分段檢測。

表2 各典型斷面迎水側運行期抗滑穩定安全系數計算表Table 2 Stability safety factors against sliding of the dike for several typical crosssections in operation period

表3 分期加載各施工期抗滑穩定安全系數計算表Table 3 Safety factors of dyke stability for stageconstruction

6．5 填土的含水量及干密度控制

在試驗區段施工過程中，在不同的位置和時間，對回填土的質量指標（含水量、干密度等）進行了大量的測試，共取得了230組疏浚土試樣。

前已指出，疏浚土經脫水上岸機械排入試驗區后，平均含水量為40%左右，在良好排水條件下，經自然固結90 d后，含水量可降低為25%，土體平均干密度可達到1．2 t／m3。由于施工中把30 d作為疏浚土脫水處理的一個基準時間，按此，在圖2中可查出相應于30 d分期回填時疏浚土的含水量指標應為30%，相應的干密度為1．05 g／cm3。

在“薄層輪加，分層碾壓，分期填筑，逐步固結”的施工中，以此指標來控制輪加、碾壓、分期時間等具體過程。如果采用輪加、碾壓筑堤，并按30 d分期自然排水后，土的干密度仍小于1．05 g／cm3，則應將土料再行返工翻曬處理，直至合格后再進行回填。

7 利用疏浚土筑堤的效果

在工程前期由于經驗較少，當直接利用疏浚土填筑堤防時，部分堤防在施工期出現過險情，造成多處滑坡。后期改進了疏浚土筑堤技術，故填筑的效果良好，大部分堤防安全穩定，達到了設計要求。少部分堤防由于地基基礎差，且系是老河道，故采用了塑料排水板、真空預壓等軟土地基加固處理技術，也取得了成功。

根據完工后運行期穩定復核的結果，直接采用疏浚土方筑堤的堤防段與經過塑料排水板、真空預壓法等軟基加固地基處理的堤防段相比，它們在運行期的穩定安全系數基本一致，可以認為直接采用疏浚土方筑堤是可行的，在施工工藝及技術手段上也有所創新。

疏浚土方筑堤技術具有無需占地、借地，能變廢為寶，無二次污染，且節約投資等優點［7，8］。根據導流港東大堤工程的實踐，能夠節約50%～70%的投資，少占用近400 hm2農田，合計能節約2．39～3．63億元資金。大錢港整治工程河道總長12．7 km，推廣上述技術，共利用25萬m3疏浚土筑堤，節約工程投資約1 100萬元；南潯區萬里清水河道共長1 200 km，約利用1 500萬m3疏浚土方筑堤，節約工程投資約3．88億元。因此該技術的經濟效益是十分顯著的。

8 結 論

（1）將河道疏浚土經過脫水降低含水量，然后用于堤防的填筑，既解決了筑堤填土的土源，少占用大量的農田，又可以變廢為寶，免去了大片堆放廢土的場地，因此利用疏浚土方填筑堤防不僅具有良好經濟效益，更具有重大社會效益和環境效益。

（2）研制和開發了河道疏浚、淤泥脫水與輸泥設備聯合機械裝置，采用這種淤泥脫水新技術，設備簡單、施工方便、脫水效果較好，具有良好的推廣前景。

（3）“薄層輪加，分層碾壓，分期填筑，逐步固結”的疏浚土填筑施工方法具有安全、穩妥，易于控制的特點，可以為類似的工程參考使用，值得推廣。

（4）根據本地區工程實踐，工程投資可節約50%～70%，經濟效益巨大。

［1］ 施永富．液壓抓斗式挖泥船的施工方法［J］．中國水利，2006，（4）：32－33．（SHI Yongfu．Construction method of hydraulic clamshell dredger［J］．China Water Resources，2006，（4）：32－33．（in Chinese））

［2］ 鄧東升，張鐵軍，洪振舜．河道疏浚廢棄淤泥改良土的強度變化規律探討［J］．防災減災工程學報，2008，28（2）：167－170．（DENG Dongsheng，ZHANG Tiejun，HONG Zhenshun．Undrained strength behavior of treated dredged clayswith quick lime［J］．Journal of Disaster Prevent and Mitigation Eng，2008，28（2）：167－170．（in Chinese））

［3］ GB50286－98，堤防工程設計規范［S］．（GB50286－98，Code for design of levee project［S］．（in Chinese））

［4］ 王保田，張福海．土力學與地基處理［M］．南京：河海大學出版社，2005．（WANG Baotian，ZHANG Fuhai．Soil Mechanics and Foundation Treatment［M］．Nanjing：Hohai University Press，2005．（in Chinese））

［5］ ?新良，沈一鳴，茍萬祥．采用淤泥填筑施工圍堰的探索［J］．浙江水利科技，2005，（1）：12－15．（CHU Xinliang，SHENG Yiming，GOU Wanxiang．Cofferdam construction by placing silt［J］．Zhejiang Hydrotechnics，2005，（1）：12－15．（in Chinese））

［6］ SL260－98，堤防工程施工規范［S］．（SL260－98，Code for construction of levee project［S］．（in Chinese））

［7］ 楊永荻，湯怡新．疏浚土的固化處理技術［J］．水運工程，2001，（4）：12－15．（YANG Yongdi，TANG Yixin．Dredged soils solidification treatment technique［J］．Port＆Waterway Engineering，2001，（4）：12－15．（in Chinese））

［8］ 張春雷，朱 偉，李 磊，等．湖泊疏浚泥固化筑堤現場試驗研究［J］．中國港灣建設，2007，（1）：21－29．（ZHANG Chunlei，ZHUWei，LILei，etal．Field testof dike construction with solidified lake dredged material［J］．China Harbour Engineering，2007，（1）：21－29．（in Chinese） ）

（編輯：趙衛兵）

Construction Technology for River Dyke Filled w ith Dredged Soil

XU Changan
（Water Conservancy and Hydropower Projects Quality Supervision Bureau of Huzhou City，Zhejiang 313000，China）

Considering the situation of rivernet area in southeast coastal region of China，through the analysis of the physical characteristics of soil dredged in river，a new type of dredgingmachine was innovated and developed，which wasmanufactured according to the existing experience of design and construction ofwater resource projects in the area and many times tests．The dredgingmachine can solve twomajor issues，i．e．fillmaterial of a dike and utilization of soil dredged from riverbed．Meanwhile，the technology of dredging earthwork construction was also developed aswell．Themachine has been used to dredge soil in riverbed for dike construction successfully in Tai Lake harnessing projects and achieved great economical，social and environmental effects．And then，it was used in Nanxun river projects and obtained a good result aswell．

soil dredged dike；dewateringmethod of silt；multifunctional dredgingmachine；stage placement；stability analysis

TV851

A

1001－5485（2010）07－0051－05

20100312；

20100512

許長安（1960），男，浙江湖州人，高級工程師，主要從事水利水電工程研究，（電話）05722667988（電子信箱）xca866＠163．com。