山区中小河流清滩料筑堤技术研究与应用

孙昌利，张　挺，杜秀忠，黄锦林，董　明

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省岩土工程技术研究中心，广州 510635)

0　引　言

山区河流堤防工程对保护河道两岸人民生命财产安全具有重要作用[1]，传统筑堤材料为黏性土，通常认为无黏性土不适合筑堤。山区中小河流治理时往往黏土料缺乏，若修筑黏土堤防，需远距离运土，同时河床清淤时，产生大量清滩料需要外运，并需要场地堆放，不仅工程投资较高，而且破坏生态环境。国内外关于清滩料筑堤技术的报道非常少见，广东省山区中小河流治理迫切需要这方面的技术指导与技术支撑，因此对清滩料筑堤技术进行研究具有重要的意义。

广东山区中小河流清滩料主要成分是卵石、砂、黏土形成的混合土。近年来，对碎石土或卵石土的研究主要集中在对材料的特性研究方面。石杰等[2]对5～20 mm粒径的粗粒土混合不同含量的细粒土进行了室内三轴固结排水试验；严耿升、吴锐、王新刚等人[3-5]则开展了碎石土大型直剪试验研究，主要是研究不同粒径下对碎石土的强度影响；王双等[6]人开展了碎石土级配特征对渗透系数的影响研究；李敏[7]等人从工程应用角度出发，提出了碎石土路基施工质量管理及检测方法；姜中笑[7]等人对湖南地区某混合土进行了地质勘查，主要是进行了颗分、含水量、重型动力触探等工作，目的是为设计提供土的相关参数；许建聪[9,10]对碎石土滑坡变形解体破坏机制及稳定性研究。鲁涛[11]基于FLAC3D软件对西南某碎石土在地震下的稳定性进行分析，

但对于采用碎石土筑堤方面，国内外基本是一片空白。

清滩料碎石土具有粒径大，且分布广的特点，与常规土相比，成分较复杂。作为筑堤材料，需要解决渗流、边坡稳定及冲刷等问题，本文从这几个问题着手，开展碎石土筑堤技术的相关研究。

1　清滩料材料特性研究

1.1　颗分试验

颗粒分析试验采用筛析法，测量从现场取回的清滩料土样中各种粒组所占该土总质量的百分数，了解砂土的颗粒大小分布情况，用于土样的分类及大致判断土的工程性质。P试验土料在韶关地区现场采集，颗分试验共进行了6组，编号为SG1-1～SG1-6，试验最大粒径为4 cm。

6组试样的颗粒级配曲线见图1，从曲线的斜率大致可以判断土样的均匀程度，从图1可以看出，6组试样的曲线形态较为接近，说明6组试样的土样差别不大，曲线较为平缓，说明土样较为不均匀。图2是粒径分布曲线，曲线峰值在粒径20 mm附近，说明土样含有较多大粒径颗粒。

图1　清滩料颗粒级配曲线Fig.1 Particle gradation curve of clear beach material

图2　清滩料粒径分布曲线Fig.2 Particle size distribution curve of the beach

颗分试验中，粒径大于2 mm的质量占总质量的比例平均为65.1%，超过总质量50%，根据《岩土工程勘察规范》该清滩料可以定名为碎石土。

工程中常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来评价土的级配及连续性，6组试验清滩料的特征粒径见表1。土样平均值Cu=61≥5，Cu较大，说明粒径大小分布范围大；Cc范围在0.73～4.82之间，平均值Cc=2.1，6组试验中，部分Cc=1～3，级配良好，部分级配不良、总体来说，清滩料土较很不均匀。

表1　典型清滩料特征粒径　mmTab.1 Typical clearance material size

1.2　天然休止角试验

将现场取出的松散的碎石土样自然堆积，测量碎石土堆能够保持稳定的最大坡角。天然休止角略小于滑坡开始滑动的滑动角，可以近似土样的内摩擦角(φ值)。

试验采用现场采集的土样，采用自然倾倒法，典型试验4组数据如下，测得土样的自然休止角在31.9°～37.1°之间，平均值为33.5°。

表2　典型清滩料自然休止角试验成果Tab.2 Typical scavenging natural test angle results

1.3　渗透试验

渗透试验采用探坑注水法，进行现场注水试验，测量清滩料筑堤堤身的渗透性。在现场选定位置制作试坑，保持固定水头高度向试坑注水，量测渗入土层的水量及时间，以确定改土层渗透系数。

典型试验点的试验成果见表3，共进行了6组试验，清滩料的渗透系数在1.15×10-3～2.08×10-4cm/s之间，平均值为2.91×10-3cm/s，属于中等透水。

表3　典型试验点现场探坑注水试验成果Tab.3 Typical test site exploration pit water injection test results

2　边坡稳定性研究

山区中小河流堤防一般不存在软土地基，影响堤防边坡稳定的主要因素是边坡的高度以及填筑料的强度参数。稳定计算按《堤防工程设计规范》(GB50286)中的简化毕肖普法，在正常运行条件下，对于3级堤防，边坡抗滑安全系数不小于1.30；对于4级堤防，边坡抗滑稳定安全系数不小于1.25。

通过自然休止角试验，土样的自然休止角在31.9°～37.1°之间，平均值为33.5°。计算中偏安全考虑，内摩擦角取值为30°。

山区中小河流堤防边坡坡比一般为1∶2，得出边坡高度和安全系数的关系曲线见图3，内摩擦角为30°时，对于3级堤防，边坡高度不高于4 m可以满足规范要求；对于4级堤防，边坡高度不高于6 m即可满足规范要求。

中小河流综合整治工程中堤防等级要求低，堤防高度不大，对于采用清滩料筑堤，边坡稳定性一般可满足要求，即使安全系数不满足要求，也可通过放缓边坡或提高土体抗剪强度等进行处理。

图3　边坡高度与安全系数关系曲线Fig.3 Curve of slope height and safety factor

3　渗流稳定性研究

3.1　允许渗透坡降

土的渗透变形特征应根据土的颗粒组成、密度和结构状态等因素综合分析确定，一般均质土的渗透变形主要为流土或管涌。根据《水闸设计规范》(SL265)，验算砂砾石地基出口段抗渗稳定时，应首先判别可能发生的渗流破坏形式：当4Pf(1-n)>1.0时，为流土破坏；当4Pf(1-n)<1.0时，为管涌破坏。

对于SG1-1土样，Cu=56.15≥5，Cc=0.81，土样级配不良。d5=0.075，d15=0.37，d85=31.25，n=0.25，Pf=42.17%，

计算得，4Pf(1-n)=1.27>1.0，属流土破坏。

对于SG1-5土样，Cu=75.09≥5，Cc=2.15，土样级配不良。d5=0.116，d15=0.65，d85=48.27，n=0.25，Pf=36.48%，

计算得，4Pf(1-n)=1.09>1.0，同样属流土破坏。

根据《堤防工程设计规范》(GB50286)，对于Cu>5的流土型渗流破坏土体，其渗流出口的允许水力坡降为0.45～0.50。

3.2　土体渗透坡降分析

清滩材料主要为碎石砂土，渗透性强，渗透系数为10-4～10-3cm/s，根据相关规范要求，堤防堤身填筑土料渗透系数一般要求小于10-4cm/s，因此如果采用碎石土筑堤则需要采取防渗措施，常规的防渗措施有设置黏土心墙、黏土斜墙、复合土工膜防渗等。

计算模型分为无防渗措施与上游侧有防渗措施，堤身高度为6 m，堤顶宽度为3 m，两侧坡比为1∶2。临水侧取设计洪水位，背水侧为无水状态，水头差为5 m。

通过计算，在无采取防渗措施和采用黏土斜墙防渗时，堤防的水力坡降均可以满足要求。流场分别见图4和图5，计算表明，采用防渗措施后，堤防渗流场有明显改善，表现为堤后出逸点的高度明显下降，堤后水力坡降有所降低。

表4　有无防渗措施堤防渗透稳定计算Tab.4 With or without seepage measures embankment penetration stability calculation

图4　无防渗措施时堤防渗流流场图(单位：%)Fig.4 Flow chart of seepage flow in seepage control

图5　黏土斜墙防渗时堤防渗流流场图(单位：%)Fig.5 Flow field of seepage flow in seepage barrier of clay

4　防冲稳定性研究

4.1　室内防冲模型试验

采用室内水槽进行清滩料防冲试验，为保证模型水流条件与相似，综合考虑试验成果的精度、试验场地、供水条件等，采用模型比尺Lr=1的正态模型。通过对现场获取的土样进行防冲试验，了解其冲刷破坏流速。

试验的现场照片见图6，试验过程中流速逐渐增大，其破坏过程为：流速为0.5 m/s时，细颗粒被带走，偶有小石头滚出；流速为1 m/s时，试样的上游较为稳定，中下游形成冲坑；流速为2 m/s时，6 cm粒径的卵石启动，形成防冲槽式的破坏；流速为3 m/s时，土样基本被冲散破坏。

试验表明，未经防护的清滩料其启动冲刷流速不大于1.0 m/s，根据《水力计算手册》(武汉大学水利水电学院编)，砂土允许不冲刷流速小于1.0 m/s，与试验结果基本一致。

图6　清滩料抗冲试验现场图Fig.6 Field map of the anti-impact test of the beach

4.2　现场流速测量

在韶关市中小河流现场采集流速，采用美国GLOBAL WATER公司生产的便携式流速仪，测量精度为0.1 m/s，通过采集不同河段的流速，本次测量主要采集垂直于堤线的表面流速，测得低水位下最大流速为1.5 m/s，洪水期高水位时流速可达2 m/s，局部迎流顶冲段流速可达3 m/s。

图7　流速测量现场工作照片Fig.7 Flow measurement site work photos

由于中小河流运行时流速超过允许不冲刷流速，因此需要进行防冲设计。在堤脚可采用挡土墙护坡，挡土墙以上的坡面可采用草皮护坡，对于迎流顶冲堤段，应采用刚性护坡型式护坡。

5　应用实例

5.1　应用概况

沈所河位于广东省韶关市始兴县城西南部的沈所和城南镇境内，在墨江左岸，属于珠江流域浈江的二级支流，发源于花山乡中拔与曲江县交界的海拔为1 050 m的高山，流经沈所、城南两镇，流域面积为129 km2，占墨江流域面积的9.4%，河长为26.6 km，河床平均比降为1.08%。

整治工程新建堤防等级为4级，设计洪水位为20年一遇。

5.2　堤型选择

结合当地的实际情况，主要进行如下两种堤型的方案比较：

方案一：均质黏土堤，此种堤型利用整个堤身作为防渗体，护坡形式可采用干砌石，该堤段施工堤线属黏土较多堤段，现场踏勘表明运距10 km以内的黏土储量有30 万m3，足够使用。

方案二：清滩料堤，此种方案的主要优点是可以就地取材，利用疏浚开挖出的砂卵石作为堤身填筑材料达到节约工程投资的目的。但砂卵石为易透水体，且防冲性能较弱，防渗措施采用黏土斜墙。

两种方案的投资比较参见表5，采用清滩料堤结合黏土斜墙防渗的造价比均质黏土堤低27%左右，且施工方便，经济效益显著。(比较计算堤段：平均堤高4 m，堤顶宽3 m。方案一，堤身材料为黏土，临水坡比为1∶2.5，临水坡草皮护坡，背水坡比为1∶2.0。方案二，堤身材料为砂卵石，临水坡为黏土斜墙防渗，临水坡比为1∶2.5，背水坡比为1∶2.0。表中所列工程量为主要工程量。)

表5　堤身断面型式投资比较表Tab.5 Dike section type investment comparison table

5.3　堤身设计

根据山区中小河流的特点，河流暴涨暴落，流速快，因此要特别重视常水位下堤脚防护处理。沈所河堤防的典型断面型式如图8所示，堤顶宽度为3 m，堤身高度约4 m，临水坡坡比1∶2.5，背水坡坡比为1∶2。常水位以下的堤脚部分采用埋石砼挡墙，常水位以上坡面采用黏土斜墙防渗，并植草护坡。

图8　直斜结合复式断面结构示意图(单位：mm)Fig.8 Schematic diagram of the configuration of the diagonal structure

5.4　堤身计算

5.4.1边坡稳定计算

沈所河堤防等级为4级，按《堤防工程设计规范》，4级堤防安全系数不应低于1.15。计算工况为设计洪水位稳定渗流期的背水坡及设计洪水位骤降至常水位的迎水坡。抗滑稳定计算成果见表6，可以看出堤防的抗滑稳定安全系数可以满足规范要求。

表6　堤身抗滑稳定安全系数Tab.6 Anticorrosion stability of embankment safety factor

5.4.2渗流稳定计算

堤防的渗流稳定分析主要是计算设计洪水位下堤防的水力坡降是否满足要求。沈所河设计洪水位为120.26 m，背水侧取地面高程约116.17 m，堤防的允许渗透坡降为管涌型，允许渗透坡降为0.45，计算出口段渗透比降为0.364，可以满足要求。

5.5　应用效果

工程设计方案在韶关市始兴县沈所河治理工程、清化河治理工程、都安水治理工程等中小河流治理工程中进行了应用。清滩料的填筑按相对密度不小于0.6进行控制，黏土斜墙的填筑按压实度不小于0.91进行控制，工程施工后，历经多次洪水检验，运行状况良好，说明采用清滩料筑堤是可行的，经抗滑、防渗、防冲处理后可以满足规范要求，可为山区中小河流治理工程提供参考。

采用清滩料筑堤与常规的黏土筑堤比较，可以节省清淤料外运和黏土购买、运输等项目造价，其经济效益随着填筑量的增大而显著提高。

图9　韶关沈所河治理工程清滩料筑堤现场照片Fig.9 Shaoguan Shen River management project clear beach material embankment site photos

6　结　论

(1)清滩料具有就地取材，经济合理，生态良好，便于施工、修复和加固等优点。但也存在结构松散，级配变化大，渗透性强，凝聚力小，抗冲性能差等不良特性。采取有效措施处理后，在满足相关规范要求的条件下，可作为筑堤材料之一使用。

(2)清滩料凝聚力小，内摩擦角较大，填筑时可采取碾压、水密等方法进行密实，使堤身强度满足抗滑稳定的要求。

(3)清滩料渗透性强，易发生渗流破坏，必要时可采取黏土防渗斜墙等有效的防渗措施进行处理，满足堤身抗渗稳定的要求。

(4)清滩料抗冲能力差，中小河流暴涨暴落，流速快，其防冲能力尤其重要，需做好坡脚及坡面的防护措施，局部迎流顶冲段应加强处理，满足抗冲稳定的要求。

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参考文献：

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[3]严耿升，王志硕.卵石土力学强度特性试验研究[J].工程勘察，2012,(2)：17-22.

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