淺談軟土地區(qū)堤防加固設計
——以廣東省肇慶市長利涌堤防加固工程為例

汪平

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

淺談軟土地區(qū)堤防加固設計
——以廣東省肇慶市長利涌堤防加固工程為例

汪平

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

以廣東省肇慶市長利涌堤防加固工程為實例，介紹了軟土地區(qū)堤防加固方案的設計，分析了設計及施工過程中的要點，為今后同類工程的設計及施工提供參考。

堤防；土工合成材料

0 引言

廣東省肇慶地區(qū)河網密布，南臨西江、東靠北江，北有九坑河水庫，內有長利涌、橫槎涌等主要河涌。區(qū)域地勢平坦而低，區(qū)內地形標高大都低于西江洪水位，雨水排放不便，存在比較嚴重的內澇問題。

1994年6 月，華南地區(qū)普降暴雨、大暴雨，造成西江和北江同時并發(fā)超50年一遇大洪水，西江高要水文站洪峰流量47 700 m3/s，最高水位13.62 m。長利涌由于要排泄水坑截洪渠和九坑河水庫下泄洪水，而當時西江洪水位較高致使其無法排出，結果造成長利涌水位超出設計水位1.10 m，長利涌支堤數(shù)處發(fā)生管涌、噴砂。如果長利涌發(fā)生潰堤，鼎湖城區(qū)將遭受巨大損失，后經奮力搶險，保住了長利涌支堤安全。

隨著城市建設規(guī)模的不斷擴大，要求與之相配套的防洪排澇體系的標準亦隨之提高，而長利涌兩岸支堤的現(xiàn)狀已遠遠不能滿足經濟與社會發(fā)展形勢的要求，其防洪安全問題已引起上級和地方政府的高度重視。

1 工程背景

長利涌區(qū)域平面圖見圖1。長利涌上接九坑河水庫，下至西江，是肇慶新區(qū)骨干排洪河道。河涌全長7.5 km，水面寬度70～330 m。兩岸支堤總長15.47 km，堤頂高程11.0～12.0 m。該支堤修建于上世紀60年代，堤防雜草叢生，河涌淤積較為嚴重，堤防防洪標準只有10年一遇，無法滿足50 a一遇洪水標準要求，亟需加高加固。

圖1 長利涌區(qū)域平面圖

2 現(xiàn)狀堤防

2.1 堤防現(xiàn)狀

長利涌承泄九坑河水庫以及水坑排渠下泄洪水并直接注入西江，由于其堤防以及控制水位較高（見圖2），故不承接區(qū)內雨水，與西江相交處設有水閘。

圖2 長利涌區(qū)域豎向關系圖

河道現(xiàn)狀岸線蜿蜒曲折，沿途形成多處急彎，長期遭受河水沖刷、淘蝕，堤腳形成深潭，局部則淤積成灘涂，水流流態(tài)復雜，堤外滑塌現(xiàn)象較常見，嚴重威脅堤防安全。

2.2 工程地質條件

根據(jù)地質勘察成果，場地存在第2-2、2-6、2-8T層淤泥質土軟土層，總體層厚較大，其中第2-2層、2-6層淤泥質土埋藏淺。該層軟土壓縮性大，抗剪強度低，含水量大，固結時間長，加荷后變形量大，易產生滑動破壞。擬建大堤不宜直接采用天然地基，建議采取適當?shù)牡鼗幚泶胧?/p>

3 堤防加固方案

3.1 加固方案比選

為提高大堤的安全性，保證施工進度，減少施工期沉降，本工程大堤考慮地基處理。地基處理方式[1]基于經濟性、可行性和工期等綜合因素，考慮采用CFG樁、土工格柵＋超載預壓、堆載預壓＋塑料排水板3種方案。

（1）方案一：CFG樁

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結強度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復合地基。CFG樁復合地基通過褥墊層與基礎連接，無論樁端落在一般土層還是堅硬土層，均可保證樁間土始終參與工作。由于樁體的強度和模量比樁間土大，在荷載作用下，樁頂應力比樁間土表面應力大。樁可將承受的荷載向較深的土層中傳遞并相應減少樁間土承擔的荷載。這樣，由于樁的作用使復合地基承載力提高，變形減小，再加上CFG樁不配筋，樁體利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻和料，從而大大降低了工程造價。

復合地基設計中，基礎與樁和樁間土之間設置一定厚度散體粒狀材料組成的褥墊層，是復合地基的一個核心技術?；A下是否設置褥墊層，對復合地基受力影響很大。若不設置褥墊層，復合地基承載特性與樁基礎相似，樁間土承載能力難以發(fā)揮，不能成為復合地基?；A下設置褥墊層，樁間土承載力的發(fā)揮就不單純依賴于樁的沉降，即使樁端落在好土層上，也能保證荷載通過褥墊層作用到樁間土上，使樁間土共同承擔荷載。

（2）方案二：土工格柵＋超載預壓

由于土工格柵[2]具有較強的抗拉強度及較好的延性，它和砂墊層共同作用時能將應力均勻地擴散到較大的面積上，從而提高原地基的承載能力，同時阻止路堤填料陷入基底。土工格柵的存在可防止滑動圓弧通過路堤和地基土，從而增加路基的穩(wěn)定性。利用土工格柵的網孔與上下層土體的咬合作用，形成一個較高強度的抗剪切層，從而增加土體的抗剪強度，使應力均勻分布而減少大堤的不均勻沉降。

（3）方案三：堆載預壓＋塑料排水板

在軟土中插入塑料排水板可以大大縮短排水距離，使堆載所產生的超孔隙水壓力快速消散，加速地基固結過程。從施工和經濟角度考慮，插塑料排水板和堆載可以同時施工，易于大面積地基處理，且技術可靠、工藝簡單，對地層的擾動較小，一般用于泥炭飽和淤泥地段或土基松軟地下水位較高的地段。由于在使用此法時，要嚴格控制堆載的速率，所以該方案施工的周期較長。

方案比選：

方案三為海堤建設中處理軟土地基的常規(guī)方法，該方案造價較低，在堆載的作用下可有效加速軟土層的沉降速率。但該方法有以下缺點：（1）工后沉降大，不均勻沉降難以控制；（2）地基強度增長有限，地基承載力難以滿足要求，且加載需要嚴格控制速率，從而影響工期。

方案二為近年來軟基處理控制不均勻沉降的良好方法。大量成功的工程實踐表明，土工格柵的采用對減少路堤不均勻沉降有著良好的作用。但該法雖然可以減少不均勻沉降，提高地基承載力，但無法控制軟臥層的固結沉降，因此沉降量仍然較大。

方案一同時從控制沉降和提高地基承載力入手，施工速度快，可有效節(jié)省工期，用CFG樁處理軟土地基不僅可以顯著降低道路的總沉降量，并且對于控制工后沉降量和工后不均勻沉降量也是有效的。不足之處在于造價較高。

針對本工程工期較緊的特點，且從節(jié)省造價角度出發(fā)，選擇土工格柵+超載預壓的地基處理方案。

3.2 加固方案設計

本工程堤防采用兩級平臺斷面，其中二級平臺為景觀濱水步道，一級平臺為防汛通道。二級平臺位于現(xiàn)狀堤線位置，將現(xiàn)狀堤頂削至設計標高10.5 m。新建堤線與現(xiàn)狀堤線距離約15 m，可為景觀造景提供較大空間。

新建一級堤防位于魚塘之上，需清除現(xiàn)狀魚塘塘底淤泥約1 m。堤基2 m范圍內每隔0.5 m鋪設土工格柵以保證地基受力均勻。壩體填筑材料采用分區(qū)處理。其中迎水面和路基以下1 m采用粘性土填筑，面層采用種植土，壩體主體材料采用山皮石分層碾壓。根據(jù)計算，大堤面坡和背坡均需采用護腳壓重以滿足抗滑穩(wěn)定要求，此外面坡坡腳塊石能同時起到防河道沖刷作用。面坡護腳采用水下拋石，單塊重于60 kg，拋石范圍為坡腳10 m，拋石厚2 m。背坡壓重采用宕渣填筑，宕渣頂寬6 m，邊坡比1∶1.5，高3 m。背坡宕渣同時可兼做施工期臨時便道。一級堤頂寬9 m，迎水面常水位上下1 m采用三維水土保護毯護坡。新建大堤置于現(xiàn)狀大堤背水坡，新老大堤結合面采用臺階式開挖處理，每級臺階鋪設一層2 m寬雙向土工格柵，以減少不均勻沉降和穩(wěn)定邊坡。防滲由新老大堤共同承擔。粘性土、山皮石和山皮石、宕渣之間均需鋪設400 g/m2規(guī)格土工布反濾。圖3為堤防加固斷面圖。

3.3 堤防安全計算

根據(jù)堤防工程設計規(guī)范[3]，穩(wěn)定分析采用簡化畢肖普法，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K的計算公式如下：

式中：W為條塊重力（kN）；V為垂直地震慣性力（kN）；u為作用于土條底面的孔隙壓力（kPa）；α為條塊的重力線與通過此條底面中點的半徑之間的夾角（°）；b為條塊寬度（m）；c'、φ'為土條底面的有效凝聚力（kN/m2）和有效內摩擦角（°）；MC為水平地震慣性力對圓心的力矩（kN·m）；R為圓弧半徑（m）。

根據(jù)設計規(guī)范，土堤抗滑穩(wěn)定計算分為正常工況和非常工況。

①正常工況：相應水位采取低水位下的穩(wěn)定滲流水位。

②非常工況1（地震）：平均水位時遭遇地震的堤坡；非常工況2（水位驟降）：正常工況下考慮水位驟降。

采用SLIDE軟件建立堤防斷面模型（見圖4～圖7）。計算結果顯示，迎水面和背水面正常工況下整體穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.35，非常工況下整體穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.15，滿足規(guī)范要求。

圖3 堤防加固斷面圖（單位：m）

圖4 迎水面（正常工況）

圖5 迎水面（非常工況）

圖6 背水面（正常工況）

圖7 背水面（非常工況）

滲流穩(wěn)定復核為考慮高水位情況下大堤的滲透穩(wěn)定情況，計算采用二維平面有限元法進行，得到大堤的壓力水頭場和滲透坡降場。計算結果見圖8、圖9。計算結果表明，大堤坡腳逸出處滲透坡降均較小，能滿足工程安全要求。

圖8 壓力水頭場

圖9 滲透坡降場

4 施工關鍵技術要求

4.1 土方填筑施工方法[4]

土方回填鋪料采用自卸汽車運輸、推土機平土。填土由低往高分層填筑施工，每一層填土鋪料厚度為30～40 cm。

推土機平土過程中，應及時檢查鋪層厚度，發(fā)現(xiàn)超厚部位要立即進行處理，要求平土厚度均勻，表層平整，為機械壓實創(chuàng)造條件。對平整好的這一層土料，采用18 t重型振動壓路機進行分段碾壓，行車速度為2 km/h，壓實遍數(shù)初步定為6～8遍，準確數(shù)由現(xiàn)場試驗來確定。分段碾壓時，碾壓采取錯距方式，相鄰兩段交接帶碾跡彼此搭接，順碾壓方向（平行于堤軸線）的搭接寬度不小于0.3～0.5 m，垂直碾壓方向（垂直于堤軸線）的搭接長度不小于3 m。

粘性土的鋪料與碾壓工序必須連續(xù)進行，如需短時間停工，其表面風干土層要經灑水濕潤，以保持含水量在設計控制范圍內。碾壓完成后即進行刨毛（深2 cm）處理并灑水至表面濕潤，此道工序完成經質檢合格后即可進行下一層土料的填筑。

土方填筑邊線要求擴寬30 cm的余量，以確保削坡后邊坡穩(wěn)定密實。邊坡修整在堤身每一段土方完成后統(tǒng)一修坡，采用人工配合機械的方法進行；修整時先打標樁（坡度控制樣架），測出每個標樁的挖深，以防止邊坡超挖。樁的間距直線不超過10 m，彎曲段不超過5 m，絕不允許超挖后再用浮土填補邊坡。邊坡成型后，即安排人工清除表面浮土，拍打平整，為下一步施工工序創(chuàng)造條件。

4.2 新老大堤結合處理

新老大堤結合面采用開挖結合面挖臺階＋土工格柵處理。臺階應挖成稍向內側傾斜5%并在其上鋪設土工格柵，臺階高度0.6～0.8 m,寬度不小于1 m并可根據(jù)現(xiàn)場地形調整。土工格柵在臺階以內搭接長度不小于1 m，臺階以外外伸長度不小于2 m。土工格柵應具有質量輕、整體連續(xù)好、抗拉強度較高、變形小、糙度大、耐腐蝕和抗微生物侵蝕好、施工方便等特點。設計采用雙向鋼塑土工格柵，柵條間距15 cm×15 cm，其縱橫向受力方向抗拉強度≥50 kN/m。

鋪設時為保證土工格柵的整體性，堤基橫向應盡量保證土工格柵的整體性，如長度不足，在堤基橫向相接處必須牢固，其連接處強度不得小于材料設計抗拉強度，疊合長度不應小于15 cm。相連可采用8鋼筋制作U型鋼釘，將土工格柵固定于填土層表面。

土工格柵攤鋪以后應及時填筑填料，以避免其受陽光直接暴曬時間過長。間隔時間不應超過48 h。

土工格柵上的第一層填土攤鋪宜采用輕型推土機或前置式裝載機。只有當已填筑壓實的墊層厚度大于60 cm后，才能采用重型壓實機械壓實。一切車輛、施工機械只容許沿路堤的軸線方向行駛。

5 結語

（1）針對肇慶長利涌堤防軟土基礎比選了3種加固方案，最后選擇土工格柵＋超載預壓的方案。該方案無論在安全性、經濟性還是施工周期等方面都具有較大優(yōu)勢，解決了設計中的關鍵問題。

（2）針對新老大堤結合處容易產生沉降差而引起裂縫問題，采用挖臺階＋土工格柵處理，解決了施工中的難題。

[1]JGJ 79—2002,建筑地基處理技術規(guī)范[S].

[2]SL/T 225—1998,水利水電工程土工合成材料應用技術規(guī)范[S].

[3]GB 50286—2013,堤防工程設計規(guī)范[S].

[4]SL 260—2014,堤防工程施工規(guī)范[S].

TV871

B

1009-7716（2017）08-0129-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.040

2017-04-17

汪平（1985-），男，上海人，碩士，工程師，從事水利及市政工程設計。