孫昌利，張　挺，杜秀忠，黃錦林，董　明

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣州 510635)

0　引　言

山區(qū)河流堤防工程對保護(hù)河道兩岸人民生命財產(chǎn)安全具有重要作用[1]，傳統(tǒng)筑堤材料為黏性土，通常認(rèn)為無黏性土不適合筑堤。山區(qū)中小河流治理時往往黏土料缺乏，若修筑黏土堤防，需遠(yuǎn)距離運土，同時河床清淤時，產(chǎn)生大量清灘料需要外運，并需要場地堆放，不僅工程投資較高，而且破壞生態(tài)環(huán)境。國內(nèi)外關(guān)于清灘料筑堤技術(shù)的報道非常少見，廣東省山區(qū)中小河流治理迫切需要這方面的技術(shù)指導(dǎo)與技術(shù)支撐，因此對清灘料筑堤技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的意義。

廣東山區(qū)中小河流清灘料主要成分是卵石、砂、黏土形成的混合土。近年來，對碎石土或卵石土的研究主要集中在對材料的特性研究方面。石杰等[2]對5～20 mm粒徑的粗粒土混合不同含量的細(xì)粒土進(jìn)行了室內(nèi)三軸固結(jié)排水試驗；嚴(yán)耿升、吳銳、王新剛等人[3-5]則開展了碎石土大型直剪試驗研究，主要是研究不同粒徑下對碎石土的強度影響；王雙等[6]人開展了碎石土級配特征對滲透系數(shù)的影響研究；李敏[7]等人從工程應(yīng)用角度出發(fā)，提出了碎石土路基施工質(zhì)量管理及檢測方法；姜中笑[7]等人對湖南地區(qū)某混合土進(jìn)行了地質(zhì)勘查，主要是進(jìn)行了顆分、含水量、重型動力觸探等工作，目的是為設(shè)計提供土的相關(guān)參數(shù)；許建聰[9,10]對碎石土滑坡變形解體破壞機(jī)制及穩(wěn)定性研究。魯濤[11]基于FLAC3D軟件對西南某碎石土在地震下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，

但對于采用碎石土筑堤方面，國內(nèi)外基本是一片空白。

清灘料碎石土具有粒徑大，且分布廣的特點，與常規(guī)土相比，成分較復(fù)雜。作為筑堤材料，需要解決滲流、邊坡穩(wěn)定及沖刷等問題，本文從這幾個問題著手，開展碎石土筑堤技術(shù)的相關(guān)研究。

1　清灘料材料特性研究

1.1　顆分試驗

顆粒分析試驗采用篩析法，測量從現(xiàn)場取回的清灘料土樣中各種粒組所占該土總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，了解砂土的顆粒大小分布情況，用于土樣的分類及大致判斷土的工程性質(zhì)。P試驗土料在韶關(guān)地區(qū)現(xiàn)場采集，顆分試驗共進(jìn)行了6組，編號為SG1-1～SG1-6，試驗最大粒徑為4 cm。

6組試樣的顆粒級配曲線見圖1，從曲線的斜率大致可以判斷土樣的均勻程度，從圖1可以看出，6組試樣的曲線形態(tài)較為接近，說明6組試樣的土樣差別不大，曲線較為平緩，說明土樣較為不均勻。圖2是粒徑分布曲線，曲線峰值在粒徑20 mm附近，說明土樣含有較多大粒徑顆粒。

圖1　清灘料顆粒級配曲線Fig.1 Particle gradation curve of clear beach material

圖2　清灘料粒徑分布曲線Fig.2 Particle size distribution curve of the beach

顆分試驗中，粒徑大于2 mm的質(zhì)量占總質(zhì)量的比例平均為65.1%，超過總質(zhì)量50%，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》該清灘料可以定名為碎石土。

工程中常用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來評價土的級配及連續(xù)性，6組試驗清灘料的特征粒徑見表1。土樣平均值Cu=61≥5，Cu較大，說明粒徑大小分布范圍大；Cc范圍在0.73～4.82之間，平均值Cc=2.1，6組試驗中，部分Cc=1～3，級配良好，部分級配不良、總體來說，清灘料土較很不均勻。

表1　典型清灘料特征粒徑　mmTab.1 Typical clearance material size

1.2　天然休止角試驗

將現(xiàn)場取出的松散的碎石土樣自然堆積，測量碎石土堆能夠保持穩(wěn)定的最大坡角。天然休止角略小于滑坡開始滑動的滑動角，可以近似土樣的內(nèi)摩擦角(φ值)。

試驗采用現(xiàn)場采集的土樣，采用自然傾倒法，典型試驗4組數(shù)據(jù)如下，測得土樣的自然休止角在31.9°～37.1°之間，平均值為33.5°。

表2　典型清灘料自然休止角試驗成果Tab.2 Typical scavenging natural test angle results

1.3　滲透試驗

滲透試驗采用探坑注水法，進(jìn)行現(xiàn)場注水試驗，測量清灘料筑堤堤身的滲透性。在現(xiàn)場選定位置制作試坑，保持固定水頭高度向試坑注水，量測滲入土層的水量及時間，以確定改土層滲透系數(shù)。

典型試驗點的試驗成果見表3，共進(jìn)行了6組試驗，清灘料的滲透系數(shù)在1.15×10-3～2.08×10-4cm/s之間，平均值為2.91×10-3cm/s，屬于中等透水。

表3　典型試驗點現(xiàn)場探坑注水試驗成果Tab.3 Typical test site exploration pit water injection test results

2　邊坡穩(wěn)定性研究

山區(qū)中小河流堤防一般不存在軟土地基，影響堤防邊坡穩(wěn)定的主要因素是邊坡的高度以及填筑料的強度參數(shù)。穩(wěn)定計算按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286)中的簡化畢肖普法，在正常運行條件下，對于3級堤防，邊坡抗滑安全系數(shù)不小于1.30；對于4級堤防，邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.25。

通過自然休止角試驗，土樣的自然休止角在31.9°～37.1°之間，平均值為33.5°。計算中偏安全考慮，內(nèi)摩擦角取值為30°。

山區(qū)中小河流堤防邊坡坡比一般為1∶2，得出邊坡高度和安全系數(shù)的關(guān)系曲線見圖3，內(nèi)摩擦角為30°時，對于3級堤防，邊坡高度不高于4 m可以滿足規(guī)范要求；對于4級堤防，邊坡高度不高于6 m即可滿足規(guī)范要求。

中小河流綜合整治工程中堤防等級要求低，堤防高度不大，對于采用清灘料筑堤，邊坡穩(wěn)定性一般可滿足要求，即使安全系數(shù)不滿足要求，也可通過放緩邊坡或提高土體抗剪強度等進(jìn)行處理。

圖3　邊坡高度與安全系數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Curve of slope height and safety factor

3　滲流穩(wěn)定性研究

3.1　允許滲透坡降

土的滲透變形特征應(yīng)根據(jù)土的顆粒組成、密度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)等因素綜合分析確定，一般均質(zhì)土的滲透變形主要為流土或管涌。根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265)，驗算砂礫石地基出口段抗?jié)B穩(wěn)定時，應(yīng)首先判別可能發(fā)生的滲流破壞形式：當(dāng)4Pf(1-n)>1.0時，為流土破壞；當(dāng)4Pf(1-n)<1.0時，為管涌破壞。

對于SG1-1土樣，Cu=56.15≥5，Cc=0.81，土樣級配不良。d5=0.075，d15=0.37，d85=31.25，n=0.25，Pf=42.17%，

計算得，4Pf(1-n)=1.27>1.0，屬流土破壞。

對于SG1-5土樣，Cu=75.09≥5，Cc=2.15，土樣級配不良。d5=0.116，d15=0.65，d85=48.27，n=0.25，Pf=36.48%，

計算得，4Pf(1-n)=1.09>1.0，同樣屬流土破壞。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286)，對于Cu>5的流土型滲流破壞土體，其滲流出口的允許水力坡降為0.45～0.50。

3.2　土體滲透坡降分析

清灘材料主要為碎石砂土，滲透性強，滲透系數(shù)為10-4～10-3cm/s，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，堤防堤身填筑土料滲透系數(shù)一般要求小于10-4cm/s，因此如果采用碎石土筑堤則需要采取防滲措施，常規(guī)的防滲措施有設(shè)置黏土心墻、黏土斜墻、復(fù)合土工膜防滲等。

計算模型分為無防滲措施與上游側(cè)有防滲措施，堤身高度為6 m，堤頂寬度為3 m，兩側(cè)坡比為1∶2。臨水側(cè)取設(shè)計洪水位，背水側(cè)為無水狀態(tài)，水頭差為5 m。

通過計算，在無采取防滲措施和采用黏土斜墻防滲時，堤防的水力坡降均可以滿足要求。流場分別見圖4和圖5，計算表明，采用防滲措施后，堤防滲流場有明顯改善，表現(xiàn)為堤后出逸點的高度明顯下降，堤后水力坡降有所降低。

表4　有無防滲措施堤防滲透穩(wěn)定計算Tab.4 With or without seepage measures embankment penetration stability calculation

圖4　無防滲措施時堤防滲流流場圖(單位：%)Fig.4 Flow chart of seepage flow in seepage control

圖5　黏土斜墻防滲時堤防滲流流場圖(單位：%)Fig.5 Flow field of seepage flow in seepage barrier of clay

4　防沖穩(wěn)定性研究

4.1　室內(nèi)防沖模型試驗

采用室內(nèi)水槽進(jìn)行清灘料防沖試驗，為保證模型水流條件與相似，綜合考慮試驗成果的精度、試驗場地、供水條件等，采用模型比尺Lr=1的正態(tài)模型。通過對現(xiàn)場獲取的土樣進(jìn)行防沖試驗，了解其沖刷破壞流速。

試驗的現(xiàn)場照片見圖6，試驗過程中流速逐漸增大，其破壞過程為：流速為0.5 m/s時，細(xì)顆粒被帶走，偶有小石頭滾出；流速為1 m/s時，試樣的上游較為穩(wěn)定，中下游形成沖坑；流速為2 m/s時，6 cm粒徑的卵石啟動，形成防沖槽式的破壞；流速為3 m/s時，土樣基本被沖散破壞。

試驗表明，未經(jīng)防護(hù)的清灘料其啟動沖刷流速不大于1.0 m/s，根據(jù)《水力計算手冊》(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院編)，砂土允許不沖刷流速小于1.0 m/s，與試驗結(jié)果基本一致。

圖6　清灘料抗沖試驗現(xiàn)場圖Fig.6 Field map of the anti-impact test of the beach

4.2　現(xiàn)場流速測量

在韶關(guān)市中小河流現(xiàn)場采集流速，采用美國GLOBAL WATER公司生產(chǎn)的便攜式流速儀，測量精度為0.1 m/s，通過采集不同河段的流速，本次測量主要采集垂直于堤線的表面流速，測得低水位下最大流速為1.5 m/s，洪水期高水位時流速可達(dá)2 m/s，局部迎流頂沖段流速可達(dá)3 m/s。

圖7　流速測量現(xiàn)場工作照片F(xiàn)ig.7 Flow measurement site work photos

由于中小河流運行時流速超過允許不沖刷流速，因此需要進(jìn)行防沖設(shè)計。在堤腳可采用擋土墻護(hù)坡，擋土墻以上的坡面可采用草皮護(hù)坡，對于迎流頂沖堤段，應(yīng)采用剛性護(hù)坡型式護(hù)坡。

5　應(yīng)用實例

5.1　應(yīng)用概況

沈所河位于廣東省韶關(guān)市始興縣城西南部的沈所和城南鎮(zhèn)境內(nèi)，在墨江左岸，屬于珠江流域湞江的二級支流，發(fā)源于花山鄉(xiāng)中拔與曲江縣交界的海拔為1 050 m的高山，流經(jīng)沈所、城南兩鎮(zhèn)，流域面積為129 km2，占墨江流域面積的9.4%，河長為26.6 km，河床平均比降為1.08%。

整治工程新建堤防等級為4級，設(shè)計洪水位為20年一遇。

5.2　堤型選擇

結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，主要進(jìn)行如下兩種堤型的方案比較：

方案一：均質(zhì)黏土堤，此種堤型利用整個堤身作為防滲體，護(hù)坡形式可采用干砌石，該堤段施工堤線屬黏土較多堤段，現(xiàn)場踏勘表明運距10 km以內(nèi)的黏土儲量有30 萬m3，足夠使用。

方案二：清灘料堤，此種方案的主要優(yōu)點是可以就地取材，利用疏浚開挖出的砂卵石作為堤身填筑材料達(dá)到節(jié)約工程投資的目的。但砂卵石為易透水體，且防沖性能較弱，防滲措施采用黏土斜墻。

兩種方案的投資比較參見表5，采用清灘料堤結(jié)合黏土斜墻防滲的造價比均質(zhì)黏土堤低27%左右，且施工方便，經(jīng)濟(jì)效益顯著。(比較計算堤段：平均堤高4 m，堤頂寬3 m。方案一，堤身材料為黏土，臨水坡比為1∶2.5，臨水坡草皮護(hù)坡，背水坡比為1∶2.0。方案二，堤身材料為砂卵石，臨水坡為黏土斜墻防滲，臨水坡比為1∶2.5，背水坡比為1∶2.0。表中所列工程量為主要工程量。)

表5　堤身斷面型式投資比較表Tab.5 Dike section type investment comparison table

5.3　堤身設(shè)計

根據(jù)山區(qū)中小河流的特點，河流暴漲暴落，流速快，因此要特別重視常水位下堤腳防護(hù)處理。沈所河堤防的典型斷面型式如圖8所示，堤頂寬度為3 m，堤身高度約4 m，臨水坡坡比1∶2.5，背水坡坡比為1∶2。常水位以下的堤腳部分采用埋石砼擋墻，常水位以上坡面采用黏土斜墻防滲，并植草護(hù)坡。

圖8　直斜結(jié)合復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)Fig.8 Schematic diagram of the configuration of the diagonal structure

5.4　堤身計算

5.4.1邊坡穩(wěn)定計算

沈所河堤防等級為4級，按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，4級堤防安全系數(shù)不應(yīng)低于1.15。計算工況為設(shè)計洪水位穩(wěn)定滲流期的背水坡及設(shè)計洪水位驟降至常水位的迎水坡?？够€(wěn)定計算成果見表6，可以看出堤防的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可以滿足規(guī)范要求。

表6　堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Tab.6 Anticorrosion stability of embankment safety factor

5.4.2滲流穩(wěn)定計算

堤防的滲流穩(wěn)定分析主要是計算設(shè)計洪水位下堤防的水力坡降是否滿足要求。沈所河設(shè)計洪水位為120.26 m，背水側(cè)取地面高程約116.17 m，堤防的允許滲透坡降為管涌型，允許滲透坡降為0.45，計算出口段滲透比降為0.364，可以滿足要求。

5.5　應(yīng)用效果

工程設(shè)計方案在韶關(guān)市始興縣沈所河治理工程、清化河治理工程、都安水治理工程等中小河流治理工程中進(jìn)行了應(yīng)用。清灘料的填筑按相對密度不小于0.6進(jìn)行控制，黏土斜墻的填筑按壓實度不小于0.91進(jìn)行控制，工程施工后，歷經(jīng)多次洪水檢驗，運行狀況良好，說明采用清灘料筑堤是可行的，經(jīng)抗滑、防滲、防沖處理后可以滿足規(guī)范要求，可為山區(qū)中小河流治理工程提供參考。

采用清灘料筑堤與常規(guī)的黏土筑堤比較，可以節(jié)省清淤料外運和黏土購買、運輸?shù)软椖吭靸r，其經(jīng)濟(jì)效益隨著填筑量的增大而顯著提高。

圖9　韶關(guān)沈所河治理工程清灘料筑堤現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.9 Shaoguan Shen River management project clear beach material embankment site photos

6　結(jié)　論

(1)清灘料具有就地取材，經(jīng)濟(jì)合理，生態(tài)良好，便于施工、修復(fù)和加固等優(yōu)點。但也存在結(jié)構(gòu)松散，級配變化大，滲透性強，凝聚力小，抗沖性能差等不良特性。采取有效措施處理后，在滿足相關(guān)規(guī)范要求的條件下，可作為筑堤材料之一使用。

(2)清灘料凝聚力小，內(nèi)摩擦角較大，填筑時可采取碾壓、水密等方法進(jìn)行密實，使堤身強度滿足抗滑穩(wěn)定的要求。

(3)清灘料滲透性強，易發(fā)生滲流破壞，必要時可采取黏土防滲斜墻等有效的防滲措施進(jìn)行處理，滿足堤身抗?jié)B穩(wěn)定的要求。

(4)清灘料抗沖能力差，中小河流暴漲暴落，流速快，其防沖能力尤其重要，需做好坡腳及坡面的防護(hù)措施，局部迎流頂沖段應(yīng)加強處理，滿足抗沖穩(wěn)定的要求。

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