新老堤防結(jié)合面加固措施探究——以南京長江干堤防洪能力提升工程為例

李 昂 花劍嵐 盧發(fā)周

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210022）

面對大江大河，堤防建設(shè)尤為重要，它為保衛(wèi)我們的家園發(fā)揮了巨大的作用。但是目前多處堤防出現(xiàn)防洪能力亟待提高的局面，相對于堤防重建，堤防加寬是一種更加省時(shí)省力且效果良好的方式。筆者在防洪能力提升工程中的新老堤防結(jié)合面的研究中有一定經(jīng)驗(yàn)，參與了一些實(shí)際工程的設(shè)計(jì)，愿與各位行業(yè)工作者探討。

1 研究意義

江河干堤是防洪的重要基礎(chǔ)工程設(shè)施。如南京長江干堤對南京市防洪安全具有舉足輕重的作用，工程在抗御 1998、1999年大水中發(fā)揮了巨大的作用。但是2010年長江出現(xiàn)自1999年以來最高的超警戒的9.32m洪水位，江堤出現(xiàn)多處險(xiǎn)情，暴露出南京長江干堤防洪能力仍然偏低的問題。

目前，江堤普遍存在堤身斷面不足、防滲能力較差、堤線曲折不順、防汛道路不暢等問題，近70%的地方堤防斷面不達(dá)標(biāo)，地方防洪能力與上下游省市相比差距明顯。

長江中下游地區(qū)是我國人口密集、經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)的重要地區(qū)，堤防安全控制顯得尤為重要。在南京長江干堤提升工程中，新老堤防結(jié)合加固技術(shù)既符合南京長江干堤工程實(shí)際建設(shè)需要，又對后續(xù)同類工程實(shí)際研究、設(shè)計(jì)、施工具有重要的指導(dǎo)意義。

2 措施研究的先期借鑒性

堤防加寬在國內(nèi)雖然有過一些工程經(jīng)驗(yàn)，但是實(shí)例較少，而且缺乏理論分析和系統(tǒng)化的加固措施和計(jì)算方法。堤防結(jié)合面的處理和高速公路加寬中路基結(jié)合面的處理加固有很大程度的相似性，而高速公路加寬中新老路基結(jié)合面的處理技術(shù)已經(jīng)比較成熟。所以先期研究中，筆者決定從高速公路加寬入手，查閱國內(nèi)外公路加寬的文獻(xiàn)和實(shí)例，進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)，然后類比出堤防結(jié)合面破壞機(jī)理、破壞形式，堤防結(jié)合面的加固措施，后期再通過數(shù)值分析模擬進(jìn)行驗(yàn)證。但是，公路加寬相對于堤防加寬畢竟是相關(guān)性的，而不是直接的。在閱讀高速加寬文獻(xiàn)尋找借鑒性的同時(shí)也要注重本身堤防加寬的特點(diǎn)和兩者之間的區(qū)別對待。

3 結(jié)合面處理難點(diǎn)分析

堤防工程的加寬必然會遇到新老堤防的相互影響問題。由于老堤防結(jié)合部存在填筑施工時(shí)間的差異，導(dǎo)致地基固結(jié)度和堤防壓縮程度不同而產(chǎn)生新老堤防的不均勻沉降，使結(jié)合部出現(xiàn)裂縫、破損、高差、引起滲漏等現(xiàn)象，影響堤防穩(wěn)定安全并造成堤防路面水平的降低。而軟土地基上新老堤防的拼接還可能引起堤防的失穩(wěn)和滑坡。所以結(jié)合面的處理就是要減緩新老堤防的沉降差異，使兩者之間銜接的更加緊密，加強(qiáng)整體性和穩(wěn)定性。

國內(nèi)外雖然有不少工程實(shí)踐，但大多倚重于工程經(jīng)驗(yàn)，缺少科學(xué)的總結(jié)和方法，對新老堤防結(jié)合部的問題仍需要深入研究，進(jìn)而提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和施工工藝。

4 采用的加固措施

研究了新老堤防的難點(diǎn)處理，筆者結(jié)合一些實(shí)際堤防加寬工程的實(shí)例，并參考和借鑒高速公路結(jié)合面處理較為成熟的技術(shù)，同時(shí)考慮到工程實(shí)際應(yīng)用性、經(jīng)濟(jì)效益等綜合因素，對于長江干堤江寧段確定了如下的加寬方案。

4.1 削坡、開挖臺階

開挖臺階是規(guī)范要求，不算是創(chuàng)新點(diǎn)，但是有效的方法之一。開挖臺階能夠增加新老堤防的接觸面，起到加強(qiáng)穩(wěn)定性的效果。開挖面坡比暫定為1:2，視高差情況可適當(dāng)?shù)姆啪徎蚴湛s。然后在斜面上開挖臺階，一般臺階的數(shù)目是越多越好，臺階的寬度不小于 100cm，底部的臺階寬度可適當(dāng)接著放寬。

考慮到開挖臺階的方式較多，對于南京長江干堤江寧段和棲霞段兩處，結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn)參考，對于這兩段，先暫定為三種方案，后期通過數(shù)值模擬計(jì)算確定最佳方案。

（1）自下而上開挖 100cm:150cm（高:寬）的臺階。

（2）自老堤防坡腳處自下而上開挖 70～80cm:150cm 的臺階。

（3）底部放寬，開挖三層 100cm:250cm的臺階，三層往上視老堤防情況適當(dāng)縮小，可以開挖80cm:150cm的臺階直至坡頂，自下而上。

4.2 鋪設(shè)土工格柵

土工格柵質(zhì)量小、抗拉強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)，與土顆粒之間的摩擦系數(shù)大。在新堤防中鋪設(shè)土工格柵，可明顯減小上覆荷載向堤防內(nèi)部的擴(kuò)散和傳遞，并使堤防內(nèi)受力均勻，有效改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，研究表明新堤防中鋪設(shè)土工格柵可顯著減少堤防頂面的不均勻沉降，且土工格柵埋設(shè)位置越往上，所起的加筋效果越明顯。

土工格柵在加寬擴(kuò)建工程中已得以廣泛運(yùn)用。但通過我國部分高速公路和堤防、堤壩加寬擴(kuò)建工程來看，對于土工格柵的鋪設(shè)方式，包括鋪設(shè)位置和鋪設(shè)層數(shù)等，影響變化很大。工程中不能隨意鋪設(shè)。

土工格柵的鋪設(shè)一般自新堤防的邊坡處鋪設(shè)直至老堤防內(nèi)部，理論上在老堤防內(nèi)部鋪設(shè)土工格柵的深度越深，則新老堤防的差異沉降越小。但是根據(jù)數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)的研究情況來看，這也有極限值，再深的話效果也不是特別明顯。鋪設(shè)時(shí)注意分層鋪設(shè)土工格柵，幅與幅之間最好錯縫。而土工格柵的強(qiáng)度可根據(jù)模擬的最佳強(qiáng)度來確定。

對于南京長江干堤工程中，結(jié)合一些理論研究和工程實(shí)踐的參考，筆者將自新堤防邊坡處鋪設(shè)土工格柵直至老堤防內(nèi)部4m：

①在臺階上鋪設(shè)，每層均鋪設(shè)土工格柵；②隔層鋪設(shè)，自下而上，1、3、5……層鋪設(shè)；③隔層鋪設(shè)，自下而上，2、4、6……層鋪設(shè)；④因?yàn)榈谭老虏康膽?yīng)力較大，可在底部1層2層（也可增至3層）全部鋪設(shè)，往上隔層鋪設(shè)。（下密上疏的布置形式）

4.3 開挖臺階+土工格柵

（1）每層鋪設(shè)可在 100cm:150cm的臺階上實(shí)施。

（2）隔層鋪設(shè)可在70～80cm:150cm 的臺階上實(shí)施。

（3）鋪設(shè)土工格柵方式④可在開挖臺階方式②③上實(shí)施。

上述結(jié)合面處理措施是南京干堤江寧段的采用方案。而堤防加寬工程結(jié)合面處理本身的處理措施是多種多樣的，比如鋪設(shè)土工布，使用EPS新材料來填筑等。具體措施的施用要視工程情況而定。

5 計(jì)算方法的選擇

數(shù)值模擬是一種行之有效的方法，在新老堤防結(jié)合面的研究工作中可以作為先期理論依據(jù)。

在堤防加寬工程中，首先我們需要知道新老堤防的沉降差異。

（1）在與不處理結(jié)合面情況下的沉降差異。

（2）不同方式處理結(jié)合面之后的沉降差異。

（3）不同差異沉降之間的對比。

其次還要結(jié)合各堤防段的具體情況有針對性的模擬研究，如南京長江干堤江寧段就有兩種加寬情況，分別是引水坡加寬，背水坡加寬。

再次各堤段土質(zhì)參數(shù)也各有不同，有的淤泥層較厚，有的土質(zhì)較好。

最后還要考慮各種措施的因地制宜，選取合適 的措施對結(jié)合面進(jìn)行加固很重要。

圖1 迎水坡培土加固方案

圖2 背水坡培土加固方案

總而言之，鑒于工程情況復(fù)雜多變，先期的數(shù)值計(jì)算是一種必要手段，可以得出新老堤防在各種不同情況下大致受力、變形、沉降情況。在后期工作中能夠有針對性的修改方案，亦可對許多情況有大致的預(yù)判。

江寧段長江干堤新老堤防結(jié)合面的措施計(jì)算分析，筆者采用的是巖土工程領(lǐng)域大型有限元計(jì)算軟件 plaxis來進(jìn)行數(shù)值模擬。經(jīng)過計(jì)算分析，得出開挖措施(3)和格柵措施④相結(jié)合的方式效果較好，但考慮到經(jīng)濟(jì)效益和施工量，并且?guī)追N選擇之間的結(jié)果差異相對于整個堤防均是可接受的，也可以選擇開挖措施(2)和格柵措施④相結(jié)合的方式。

6 后續(xù)研究工作開展

6.1 開展現(xiàn)場試驗(yàn)的施工工藝研究

在有限元計(jì)算中，由于土體本構(gòu)模型的近似性及自身性質(zhì)的離散，故只能對相關(guān)因素進(jìn)行規(guī)律性的分析，尚需借助現(xiàn)場測試等手段予以對比研究。

新老堤防結(jié)合面處理的施工工藝需要注意的點(diǎn)很多，江寧段的試驗(yàn)開展的主要內(nèi)容如下。

（1）合理的施工流程。

（2）格柵與格柵之間的搭接長度的控制。

（3）不同開挖方案之間的對比。

（4）合理的填料碾壓工藝等。這些都是后續(xù)研究工作中的重點(diǎn)。

6.2 結(jié)合其他措施

對新老堤防結(jié)合面的處理的主要目的是為了增強(qiáng)新老堤防的連接和整體性，減少沉降差異。為了達(dá)到減少沉降差異的目的，單一的結(jié)合面處理是不夠的，還需要結(jié)合其他措施來共同作用。江寧段的堤防加寬工程是在軟土地基上施工的，首先要做的就是江堤的軟土地基處理，如豎向塑料排水板與砂礫換填聯(lián)合處理；還可在新堤建造時(shí)打入粉噴樁進(jìn)行加固；此外在新堤填筑時(shí)要注意壓實(shí)度的控制。

7 結(jié) 語

新老堤防結(jié)合面的銜接處理技術(shù)是長江干堤防洪能力提升工程中一項(xiàng)重要的內(nèi)容，它能夠提高堤防整體的穩(wěn)定性，加強(qiáng)新老堤之間的連接作用，有效的減少新老堤的沉降差異。對于上述處理措施和后續(xù)研究有的已通過實(shí)際工程檢驗(yàn)，有的還需要在具體工程情況之上經(jīng)過修改和重新設(shè)計(jì)，但這些都有很重要的參考意義。通過對這一技術(shù)的研究，可以有效加強(qiáng)南京段的江堤安全控制，其研究方法和內(nèi)容也可以在后續(xù)的工程中推廣應(yīng)用。

[1] GB50286-98,堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2] GB50201-94,防洪標(biāo)準(zhǔn)[S]

[3] SL260-98,堤防工程施工規(guī)范[S]

[4] 呂鵬等.軟基上堤壩加寬工程性能有限元分析[C].2006

[5] 張鎮(zhèn).高速公路填挖結(jié)會部處治技術(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2006

[6] 劉春等.土工格柵在治理軟土路基沉降問題中的研究[J].巖土力學(xué), 2003, 24(6):1070- 1073