柳河新民農村段粉砂質堤防設計的探討

孟偉龍

(遼寧澤峰水利規劃設計有限公司，沈陽 110004)

1 工程概況

柳河是遼河中下游右側的一條多泥沙支流，發源于內蒙古庫倫旗扣河子鎮五星村，流經內蒙古的庫侖旗、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。其中遼寧省境內鬧得海水庫以下河道全長142.5km，流經彰武、新民兩縣市，區間流域面積1674 km2。

擬建堤防工程建設區涉及新民市的3個鄉鎮6個村，總耕地面積5838hm2，總人口11252人。目前新民農村段堤防現狀全線未達標，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。

項目區地處遼西干旱少雨地帶，現狀土壤黏粒含量略有不足，再加上本地區植被稀少，風沙影響大等因素，現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、堤防不滿足滲透穩定，亟需加固治理。

2 堤線布置原則

本次柳河農村段粉砂質堤防加固治理堤線選擇遵循以下原則：

1)堤線走向布置應符合水流流態要求，行洪寬度合理，堤線應與河道大洪水主流線大致平行，兩岸上下游堤距應協調，不宜突放或縮小。

2)堤線應力求平順，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，避免急轉彎及折線。

3)堤線的選擇要順應河勢，應使主流平順，并與大洪水主流方向大致平行。

4)堤線一般應修筑在地質條件較好，且比較穩定的基礎上。

5)堤線布置時，應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，應盡量多保護土地。

3 工程治理方案

根據地勘成果，擬治理段堤防、堤基、筑堤土料主要為粉砂夾粉土，結合遼寧省大江大河相關堤防治理經驗，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，增加臨水坡抗滑穩定系數，施工方便。缺點是項目區沿岸缺乏黏土料場，原設計堤頂寬為4.5m，考慮防汛期間車輛通行較為頻繁及粉砂性質土堤結構的穩定性，堤頂寬度優化為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村莊密集的堤段進行加固，將截滲墻從堤防臨河側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用廣泛，具有連續造墻、施工速度較快、占地范圍小等特點；但該技術需采用開槽法施工，受大堤土質較差及密實度差異大、堤身裂隙發育、施工期高位護壁泥漿易側滲等問題的影響，對地質條件要求高，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造成背河側村莊地下水位迅速下降，使機井短時期內取不上水，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計水位以上0.5m，并水平向堤內延伸約0.5m后下壓至錨固溝內，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《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》(SL/T225-98)和以往工程實踐經驗選用規格為SN2/PVC-5-400-0.3的復合土工膜(二布一膜)。結構形式見圖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

該方案迎背水坡設采用清基土結合三維植草墊結構，背水坡采用棱體排水，解決上游岸坡穩定、下游排水不暢等問題，同時為了避免新民農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墊防護。

圖4 清基土植草+棱體排水方案斷面圖

三維土工網墊是一種新型土木工程材料，屬于國家高新技術產品目錄中新型材料技術領域重復各材料中的增強體材料[3]。質地疏松、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，長成后的草皮使網墊、草皮、泥土表面牢固地結合在一起，但該材料不可常年暴露于陽光下。

3.5 方案五：防洪墻方案

防洪墻結構堤防目前已在撫順、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構，上下游填筑土方筑堤，形成良好的生態景觀堤防，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構，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設變形縫，縫內設橡膠止水，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，堤防背水側邊坡1∶3.5，迎水側邊坡為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，與截滲墻結合部位易出現滑裂面發生滑塌，堤頂若有車輛荷載則對堤坡安全影響較大。

5種方案優缺點比較見表1。

表1 方案初選優缺點對比表

通過分析可知，方案二雖然占地小，但是現狀堤防不滿足規范要求，加高培厚以后占地面積仍不能得到優化，且可研階段占地工作已經完成，考慮到柳河左岸地質條件較為復雜，故不推薦此方案；方案三目前已在遼寧省遼河、渾河、太子河、繞陽河等河道應用，但柳河現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，影響結構安全，故不推薦此方案；方案五多用于城市河段堤防建設，造價高，施工慢，且應用于柳河接觸面易產生滑裂，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填筑材料起到一定防滲作用，方案四重點在于背水側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，料場多為百姓現有耕地，占用黏土料場后須考慮社會穩定因素，且黏土外運的過程可能對沿程公路造成環境污染，不利于綠水青山的建設，因此從生態和節能等多重角度考慮，故方案四總體效果略優于方案一，施工難度相差不大，針對典型斷面進行經濟比較見表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，方案四較方案一節省755.1元，再考慮占地情況方案四較方案一具有更大的優越性，能夠節省大量的占地投資。

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

4 堤防實施效果分析與思考

由于地域條件的關系，柳河河床及岸灘土質特殊，素有“小黃河”的稱謂，現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固的苗床，讓草籽可以更好地穩固堤坡，形成生態護坡；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定，兼顧達到生態效果。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方案的參考，具有一定借鑒意義。

圖6 治理前后對比圖