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沉，如继续筑仓冲填，可能导致堤身塌陷。因此，决定停止用挖泥船冲填。在1986年冬修时，用人工填筑，由于吹填体尚未排水固结，当人工加修到38米高程时，部分堤身鼓胀和滑坡，后经开沟沥水，才固结稳定。

　　1989年—1992年在安乡安保垸豆港、钱粮湖农场采桑湖堤段运用该技术筑堤7公里。

　　五、 挖 泥 船 堵 口 复 堤 试 验 研 究

　　1、长沙市丰顺垸堵口

　　长沙市丰顺垸1994年7月19日溃决后，为使灾民迅速恢复家园，要求20天修复大堤。丰顺垸大堤长6500米，堤身为粉沙土，渗透系数10×10-4/秒。大堤5公里以内为粉沙土，若用粘土筑堤，需从13公里以外取土，施工场地和进土道路最多只能容许20辆翻斗车运转，每天进土2000立方米，需100天。根据天气预报，施工期约为15—20天，这么短的时间堵口高程达到防洪高程，试验小组根据土料情况以及挖泥船筑堤的成功经验，提出堵口采取就地取土料，将均质粘土堤改为粘土斜墙沙体坝，利用当地粉沙土填冲坑和修筑堤内平台，外运粘土筑外坡斜墙，用4条80立米/小时绞吸式挖泥船，取堤外河洲土，向垸内溃口凼吹填，每天吹泥0.8—1.0万立方米，7天内将溃口凼吹满，溃口处堤脚高出地面1—2米，再用装土草袋包修筑2—3米子堤围堰，5天时间堤内脚平台高程达35米。同时外坡粘土斜墙高程也达到35米高程，距堤顶设计高程5米。平台以上堤顶部分由于填土场面缩小，挖泥船沉泥池太小，用挖泥船填堤身困难。堤身上部主要用汽车运土和人工修筑。该溃口从溃决后第四天开始填堵，历时15天，至8月5日湘江发生第二次洪水时，堤顶高程已超过洪水位（36米）。

　　2、汉寿南湖垸堵口复堤

　　汉寿沅南垸南阳堤段1995年7月3日溃口，溃口宽度760米，堤顶高程40米，地面高程25—28米。溃口后淹没耕地22万亩，受灾人口10余万人。为了使灾民迅速恢复家园，抢插晚稻，要求25天内堵塞溃口，修复堤防。堵口复堤土方50万立米，该堤段垸内低洼，而且淹水深5米左右，无法取土，撇洪河左岸为堤，右岸为硬黄土山，土源困难，用人工和汽车运土都难于在20天内完成堵口复堤任务。必须就地取土。该堤段溃口就是因当地土质问题所致。原堤段土质为含高岭土，干土成块而硬，湿土易滑。1976年修建撇洪河筑堤时用人工填筑，填方大土块较多，夯压不实，撇洪河通水以来，堤内坡层出现了渗漏和滑坡。如堵口再用当地土料，必须解决施工方法和土方质量问题。采取的办法是用40多台推土机将右岸山头黄土推入河水中，将土块水化松散，再用6条绞吸式挖泥船将泥土吹入溃口凼内。平均每天填土方2万立米，5天填出水面，10天填上高程达33米，15天堤身高程达到36.5—38米，面宽30—40米，内坡1.35—5米。然后停止挖泥船吹填，用人工和手扶拖拉机等运土填筑堤身，20天高程达到38米左右，比设计高程只低2—2.5米。冬修时修合标准，外坡用防渗料做外坡防渗面，堤身灌浆，内脚抛石压脚。该溃口如期抢复，10万灾民迅速恢复家园，抢插晚稻，减轻了救灾工作困难，减少了灾害损失，深受当地政府和群众称赞。

　　3、汉寿县围堤湖垸堵口复堤

　　1995年7月1日沅水发生大洪水，7月18日常德市洪水位达42.49米，比历史最高洪水位高1.81米。为了保障常德市30万市民安全，扒开汉寿围堤湖蓄洪，该垸4.8万亩，垸民8300人，扒口蓄洪3.6亿立米，降低常德市水位约0.3米。该堤段顶高程41米，地面高程35米，地表1—2米为粘土，以下30—50米为砂或砂卵石。工程需土方量大，土源困难。为让灾民恢复家园和抢种晚稻，要求8月1日以前修复大堤，施工期为30天。采取设计方案为33米以下填凼用绞吸式挖泥船吹砂填筑，用当地砂和砂土为筑堤土料。由于沉沙池宽而深，容量大，砂土中含的粘粒能沉落在沉池中，根据粗近细远的沉降规律，粘泥分布于沉池周边，像铺了一层防渗膜，35—38米堤身用挖泥船吹填粘土；38—41米用汽车和手扶拖拉机运粘土修筑堤身。该工程修复以来，没有渗漏出现，特别1996年7月发生比1995年更高水位，该堵口堤身安全无恙。

　　4、华容团洲堵口复堤

　　1996年7月19日，东洞庭湖水位达35.23米，超过历史最高水位，华容团洲垸因砂基管涌而溃。溃口长464米，冲坑长度800余米，垸内地面高程26米，冲刷后坑底高程18米。该堤段周围为粉质粘土，天然含水量高，多呈流塑状态，土体主要力学指标，天然含水量W=38.8%，渗透系数K=5.57×10-6，内摩擦角φ=3.5，凝聚力C=12.4（kPa）。由于周围为湖洲，无干土，无论用什么机械施工，都难将土沥干，过去类似此种堵口用人工挑土施工，难度极大，极易产生滑坡，一年内难于堵复。该堵口采用挖泥船吹填取得成功。其办法为：（1）从凼底至地面（18—29.5米）用绞吸式挖泥船吹填，填土约100万立方米，面宽800米×400米。堆体面坡比1：1.5.（2）第二期在吹填体上用草袋土包筑围堰，堰顶高程33米，吹填土方80万立米，填体内坡比1：10.（3）第三期用人工和手扶拖拉机等运土修堤，堤顶高程37米，内坡1：3，内坡平台高29.5—33米，宽20—50米。外坡33.5米设平台，宽10米。人工土方18万立米。该堵口工程在施工过程中高程达到33米时，试图继续用挖泥船吹筑堤身，因沉池小，土体含水量大而未成功，后改用人力修筑，也因土质透水性差，填体难干，填体内土壤水分排不出，往上加土，产生下沉（日沉量达0.9米）和堤坡鼓肚下挫开裂。后采用开沟排水方法，在填体30—33米高程内外坡面每间隔6米开一条排水沟，沟宽0.3—， 0， .5米。沟深0.5—1.5米，开沟后填体土料水分渗出，总渗透流量达0.69mL/S.开沟后数天继续往上加土，堤坡稳定。此堵口为粉粘土深填方用挖泥船施工首例。挖泥船吹填堵口需土方量比陆地施工土方约多1倍以上，但适应湖区，可采用水中取土。填土三分之二以下部分用宽基础代替排水沥干工程设置，堤身上部不适宜用挖泥船吹填，用人工填筑。此堵口工程在1997年汛前竣工，经过1998年特大洪水的考验，堤身稳定。

　　六、 关 于 填 土 质 量

　　从马家铺开仓取土试验情况看，吹填土方实，当含水量下降到29%，干容重达到1.39公斤/立方米，若完全渗水固结，含水量下降到25—26%，干容重达到1.5吨/立方米左右比人工修筑的均匀密实。据对汉寿围堤湖、共华垸、团洲垸、丰顺垸等挖泥船吹填筑堤堵口堤段土样试验分析，含水量23—40%，干容重1.34—1.60克/立方厘米，渗透系数1.5×10-5—7.6×10-7厘米/秒，内摩擦角7—20度，凝聚力10—50KPa，允许承载力110—280KPa，从分析情况看，吹填土的物理力学指标比天然土料的物理力学指标要好，比人工修筑的要好，比已建成的某些堤段的填土质量要好。我们根据土样有关数据，采用瑞典圆弧法，对马家铺堵口大堤进行了边坡稳定计算，求得最危险圆弧的安全系数Fs8=1.647，属安全。从运行情况看，马家铺堤段经受了1995年、1996年两次洪水考验，围堤湖经受了1996年洪水考验，丰顺垸、团洲垸、共华垸经历了1998年洪水考验，安保垸豆港、钱粮湖农场采桑湖堤段经受了1991年、1996年、1998年洪水考验。实际证明，所有用挖泥船吹填的堤段，没有渗漏、滑坡现象。

　　七、 关 于 工 程 造 价

　　马家铺工程1984年施工，总投资38.254万元，其中国家投资25.2万元，按实际完成土方平均每立方米土价为0.478元；仅占人工挑土每立方米价的近四分之一。当前在洞庭湖区用挖泥船吹填筑堤，每立方米土价为8—10元。用人工或用铲运机等方法修堤，每立米土价为25—30元左右。挖泥船仍为最廉价。

　　目前，洞庭湖有挖泥船56条，其中有大型挖泥船8条，中型挖泥船3条。1998年全部投入洞庭湖区吹填筑堤，年产泥量约3500万立米。根据国家防重于抢，建重于防的防洪方针，洞庭湖加固大堤土方2.5—4亿立米。挖泥船疏浚土方约3亿立米，近5—10年，洞庭湖区需挖泥船土方2—4亿立方米以上，挖泥船在水利建设上大有作为。

　　挖泥船筑堤堵口很好地解决了其他机械无法解决的问题，是其他机械不可替代的。

　　一是解决了土源问题，特别是高洪水位期间的取土问题，湖区虽说有很多洲土，但人力和其他机械只能“隔水相望，望土兴叹”。

　　二是解决了堵口时间问题。堤垸溃决后，老百姓不满情绪高涨，政府救助难度大，早一天堵口，早一天堵口堤出水面，老百性的情绪就多安定一分，可以说，用挖泥船堵口是安民心，求稳定，上升到大局，就是政治问题，稳定问题。1994年8月中旬全国政协主席李瑞环在视察丰顺垸堵口时赞扬说：“如此迅速堵口复堤，实属少见”。

　　三是缓解了资金矛盾。用其他机械设备施工投资多，而用挖泥船施工投资省。

　　四是为挖泥船开辟了另一条生产途径，充分利用了挖泥船。

　　从马家铺筑堤到采桑湖修堤、安乡豆港筑堤大会战，从丰顺垸堵口到团洲、共华、钱粮湖、围堤湖、澧南、西官等等，从1984年到1998年，洞庭湖水位一再攀高，利用挖泥船筑堤堵口的堤段没有一处出现险情。可以说，方法独特，技术可靠，质量优良，国内首创，具有很好地推广价值和广阔的市场前景。

聂芳容（湖南省水利水电厅）

　　甘明辉（湖南省洞庭湖水利工程管理局）

　　段炼中（湖南省疏浚有限公司）

　　朱诗好（湖南省洞庭湖水利工程管理局

　　傅 辉（湖南省疏浚有限公司）