湖南省洞庭湖区挖泥船筑堤堵口试验研究报告
湖南省洞庭湖区挖泥船筑堤堵口试验研究报告
为了解决洞庭湖区堤垸溃决后快速、经济堵复溃口所面临的高水位施工和土源问题，，为洞庭湖区防洪建设和防汛救灾开辟条新路子。我们选择了两处不同地质条件的溃口分别进行了利用现有挖船设备堵复溃堤研究，并在围堤湖、共华、团洲、钱粮湖、澧南、西官、安造等10多处进行了推广应用，并经受住了1996年、1998年和1999年高洪水位的考验，效果很好，得到了中共领导和省领导的赞扬，也深受湖区干群的欢迎。 本项目的研究重点是：
（1）充分利用现有挖泥船设备；（2）研究筑堤新技术；（3）研究堵口复堤新技术。 一、 概 况
湖南省洞庭湖区有大小堤垸266个，一线防洪大堤3471公里，堤防险工长度1457公里。由于现有堤垸多系在淤积湖洲上围挽，堤后自然地势低洼，加之修堤时在堤内取土留下的取土坑或溃口堵复后留下的冲刷坑等多方面的原因，造成堤内渊塘（两水夹堤）长200多公里。这种堤内渊塘堤段易出险，难抢、难修，是湖区堤防防洪的薄弱环节。1972年前，挖泥船主要疏挖航道和内湖排水渠，1973年开始学习荆江大堤吹填的经验，首先在南大和屈原农场利用挖泥船吹填，消灭堤内渊塘。由于吹填效益显著，立杆见影，深受群众欢迎，促进了吹填工程的迅速发展，由开始填塘发展到固基和压浸防渗，八十年代进而试用挖泥船直接吹筑大堤，取得了很大成功；进入九十年代以来，由于水情变化，堤防标准低，在遇较大洪水时，总有一些堤垸溃决，洞庭湖除1997年外，其他年份都有堤垸溃决，1996年湖区溃决大小堤垸156个，1998年溃决142个，大部分溃决堤垸由于受地形、水位、土源等因素的制约，不能及时堵复，有些因工程量大甚至无法堵复，影响了灾民恢复生产、重建家园，给政府救灾带来很大困难，在这种情况下，提出了用挖泥船堵口复堤，效果很好，开创了国内堵口方法先河，并已经在丰顺垸、围堤湖堤、南湖撇洪河堤、烂泥湖牌口堤、团洲垸、共华垸、钱团间堤、澧南垸、西官垸等堤段得到广泛应用。
从挖泥船的设备保有量看，1952年12月起我省拥有第一条挖泥船（湘江号），1954年正式投产，1964年接收长办的洞庭号和柘溪的鄱阳号抓斗，1965年从荷兰
进口一条内燃液压绞吸式挖泥船，为我省挖泥船的制造发展提供了一个模式。随着吹填工程的发展，我省陆续研制了多种型号的挖泥船，大部分县建立了挖泥船队，挖泥船成为洞庭湖治理的生力军；随着土源及远距离输土等问题的出现，以及对挖泥船日益扩大的需要，我省申请荷兰国政府贷款购买大型挖泥船，目前已进口6条大型挖泥船，我省挖泥船上了一个新台阶，全省共有挖泥船56条，年生产能力达3500万方，成为国内水利部门最大的“航空母舰”。 二、 研 究 项 目 的 提 出
汉寿县马家铺堤段是围堤湖隔堤中老河道堵口，距县城东约2公里，总长700米，最高外河水位39米， 最高内河水位33米， 设计堤顶高程40.8米， 面宽8米，临水坡1：3，背水坡1：2.5. 该段为老河套， 地势低洼， 河床高程29.2—29.5米，最低点29米，河床淤积泥深3米，常年水深2米，在选择挖泥船修堤时进行了多种方案比较。一是采用人工填筑方案。由于堵口附近是老河套，冬枯水位时都无法取土。二是利用机械修筑，由于堵口附近无土源，只能到距现场5公里以外取土，投资很大。三是用挖泥船修堤，可以在老河道内取土，利用挖泥船输泥管输送泥土，上述三种方案经试验小组比较后，最后确定用挖泥船修堤。
1994年7月19日湘江水位超历史最高，长沙市丰顺垸因管涌溃决，溃口宽365米，冲坑底部高程27米，冲坑深12米，堤顶高程41.2米，堵口复堤土方20万立方米，丰顺垸溃决后，也有人提出用机械结合人工的方法堵复，后被否决，一是由于灾民有不满情绪，不愿意参与堵口，二是溃垸后，四周汪洋一片，只有在岳麓山脚取土，土场较远。三是丰顺堤面较窄，灾民把财产转移到大堤上后，不便行车。四是时间要求紧，当时提出20天修复大堤。针对上述情况，试验小组提出了用挖泥船堵口结合人工整修的方法修复大堤。
挖泥船修堤堵口是在人工取土难、机械运土远、投资多、时间紧的情况下提出的，很好地解决了上述几个问题。 三、 筑 堤 堵 口 设 计 研 究
挖泥船筑堤堵口设计研究包括沉淀池（子堤）设计研究、排水固结设计研究、施工组织设计研究等，该试验研究必须满足堤防设计中的堤身断面、堤防的稳定性和防渗要求。
1、关于泥沙沉淀池设计研究
沉淀池设计包括容量设计和沉淀池（子堤）设计以及排水口设计。确定沉淀池容量的因素有三个，一是按设计断面分层确定堤防土方量。如从高程30米到33米需多少土方。二是要满足挖泥船施工的要求，不同型号的挖泥船对应不同的容量，三是要满足排水固结要求。容量太大，排水固结的时间越长。吹填筑堤先要做好沉淀池，沉淀池的长、宽、深必须妥当设计才能使吹填的土料能沉淀下来，沉淀池的宽度应当满足断面设计要求，一般是30—100米，沉淀池的长度，一般取500—2000米，若太短，泥土不能充分沉淀而被排弃。根据洞庭湖区吹填筑堤试验，利用大堤内脚为一挡水面，离堤内脚50—100米修子堤做成沉淀池，子堤高3—5米，池宽50米，池长200—500米，容量为0.5—1.0万立米，可接纳几条小型挖泥船（80立米/小时）的泥水量。若池长为1000—2000米，容量为2—4万立米，可接纳大型（1600立米/小时）挖泥船的泥浆量，沉淀效果较好。
在沉淀池容量确定后，主要是进行子堤设计，子堤的高度是由沉淀池容量决定的，一般情况下为3—5米，子堤面宽1—1.5米，内外坡比1：1.5，考虑新作子堤防渗效果差，渗漏严重，在长时间浸泡后，容易引起渗水脱坡，甚至垮堤，所以，子堤必须满足适当渗流而又不引起集中渗流的要求，保证子堤质量。
排水口的大小直接关系到泥沙（土）沉积的多少。若排水口太大，挖泥船排出的混合泥水在沉淀池滞留的时间短，沉积的泥土就少，随水流弃失的无效土方就多，工效就低；若排水口太小，混合泥水沉积的时间长，池内水位就上升较快较多，子堤维护困难，导致垮堤，或者造成挖泥船非故障停工，工效也低。因此，必须根据沉淀池容量和施工机械的出水量合理选择排水的大小和排水口水流流速，经反复试验研究证明，一般情况下弃水的水流速度在0.5米/秒以下为宜。排水口的位置宜选择在水流的回水区。
2、关于排水固结设计研究
排水固结是影响堤防质量和工期的主要因素之一，泥浆中的水分及时排出才能缩短工期。粉质壤土、粉质粘土和粘粒含量少的壤土，固结50天后，5米以下含水量小于28%，趋近流限；固结80天，填体含水量可降低到23—25%，接近稳定含水量。其条件是做好填体内排水设备。排水设备的用途是使施工过程中的泥浆多余水分排出坝体，使下部土层在填土压重下固结，减少填体孔隙压力，增加坝坡稳定，特别是在土质透水性小，含水量高而又必须缩短工期的情况下，专用排水设备的设置就显得非常必要。我国《水中填土坝筑坝施工技术暂行规定》中规定，建筑在不透水地基上，坝高超过10米和建筑在透水地基上，坝高超过20米的均质坝，均需设置专用排水设备。 堤体内的排水设备用坚井和横沟连通，井圈用竹笼或芦
席做成，或随着填土上升，放在面上，中填砂， 每上升一层再抽出外圈，垂直的井径0.7—1.0米，每个井控制的面积约100—400平方米，井距10—20米， 水平导渗管一般布置在堤外坡，管径0.5米，最好是每个横断面上的竖井直径通过水平导渗管，水平管的坡降1/100—1/200，固结后用泥封死。马家铺筑堤工程虽然做了排水设施，但其工艺和布局都不符合要求，且施工速度快，故未能起到排水的效果。施工期中产生鼓肚和滑坡现象。团洲垸堵口当填筑到三分之二高程（填土厚约10米）时，填体严重滑坡塌陷。为了总结经验，对马家铺和团洲填体钻孔取土做了土壤试验，获得土壤的物理性质等有关数据。两处分粉质壤土和粉质粘土：湿容重γ=1.73—1.80吨/立方米，干容重γa=1.17—1.39吨/立方米，含水量ω=29.2—52.2%，渗透系数K=5.57×10-6厘米/秒，排水速度很慢。
为使大堤在汛前达到设防高程，研究采取多方案排水，其主要措施： 1、开沟排水，沟距3—6米，沟深1—2米，为防止泥浆滑挫填沟，用竹板沙料等填沟； 2、削坡减载；
3、分设多级平台（每4—5米设一级）；
4、抛石护脚。团洲堵口经以上排水措施处理后，从3月底至5月初（约40天）已填筑的填体稳定，终止滑动，堤顶在吹填体上再加高3—5米，堤顶面宽达8米。洞庭湖区10多处用挖泥船吹填堵口堤段，1998年特大洪水时，填体挡水深10米以上的情况下，安全无恙，没有出现渗漏管涌和滑坡现象。 四、 挖 泥 船 筑 堤 试 验 研 究 1、试验点的选择
马家铺堤段是沅南垸围堤湖隔堤的一部分，该段由于地处老河套，地势低洼，人工无法取土，机械运土投资大，所以一直没有按标准修复，而该段的土源、施工条件、水位、土质等都具有代表性，因此选择该段为试验点。 2、试验前准备
1984年9月中旬成立了马家铺堵口工程指挥所，负责组织施工，试验小组同时进驻现场，进行试验研究，并指导现场施工，首先实测了1：2000的堵口堤址及土场地形图，按堤身设计断面，计算堵口总土方为33.34万立方米（不包括消失、挤淤、塌陷和四次子堤决口流失土方），作好施工放样，设置大堤中心线和边脚线
以及临时通航等标志，与此同时，指挥所与汉寿县挖泥船队签订了施工合同，用两艘80立方米/小时挖泥船承担施工。 3、施工方法
（1）水下冲填。1984年10月15日，汉寿县船队用1、6号挖泥船开始进行水下冲填，1号船位于临水坡边，6号船位于背水坡一边，两船均距大堤中心线400米处开挖，输泥管则来回沿中心线两侧冲填，到1985年3月上旬，堤基已由最深河床29米填达31米，出水面宽120—150米左右，水下坡比达1：20，这时停止冲填，使堤基沥水固结。
（2）分池分边，轮回冲填。1985年3月下旬，堤基表土已基本固结，固结厚度约为30—50厘米， 便组织劳力， 沿内外坡脚修筑高3.0米（高程34.0米）， 面宽1米， 内外坡1：1.5的第一级子堤。 并利用原围堤湖渍堤，将700米堤段分成2个沉淀池，1号池长325米，2号池长380米。在修筑子堤的同时，我们采取与子堤成垂直方向，每隔20米交错埋置两层直径0.5米的芦柴捆一个，共埋设芦柴12吨，以利泥浆沥水早固。沉淀池筑成后，又增调3号船参加吹填。1985年4月上旬三艘船集中冲填1号池。沿子堤边逐渐使泥浆流向中心线， 每次冲填高度和轮回冲填时间，视子堤承受能力而定， 原则上每个池冲填时间为一个月， 每次冲填高度0.5—0.8米左右（指填土高而不是泥浆表面高）。到1985年12月中旬，冲填高度达33.8.在第一级沉淀池吹填过程中，由于子堤单薄，质量差，加之导沥作用小，吹填速度快，导致了四次子堤滑坡崩溃流失土方1万多立方米。 1985年12月底，修筑第二级沉淀池子堤，子堤高2.5米（堤顶高程36.5米），面宽、坡比不改变，质量做到夯紧压实，再没有埋设导沥芦柴捆。在进泥方法上，仍然是轮回冲填，在沥水导流上，则采取在子堤和基础较好的地方，每个池凼开挖一个溢流口，底宽1.5米，口底高于每次计划冲填高0.5米，并用草垫和薄膜铺护口底及流坡，以免冲刷；同时还组织了一支专业队，日夜轮班在工程巡逻，维修防护子堤，一旦发现险情，能及时处理加固；另一方面，采取做田塍的办法，用木制板耙将池凼内稀泥搭护子堤坡脚，以防渗漏滑坡，因而保证了第二级沉淀池地施工顺利进行。到1986年年6月中旬，堵口大堤平均高达36米，最高处达36.5，面宽48—52米，到1986年6月底停止了冲填。
（3）人工填筑，整形结顶。堵口大堤冲填高达36米以后，由于面窄，修子堤后，池容小，停车时间多，开车时间少，设备不能充分利用，工期会延长，同时一、二级池容填土，尚未完全沥干固结，且发现内外堤脚已隆起，说明堤身仍在继续下
