預制波浪樁在堤防加固工程中的應用

閆彭彭

（上海市政工程設計研究總院集團第六設計院有限公司，合肥230061）

波浪樁是一種新型的預應力混凝土構件，截面呈半圓形，多采用高強預應力鋼筋混凝土制成，是一種綠色、節(jié)能、環(huán)保、耐久的產品。而現(xiàn)階段針對預制波浪樁的應用研究目前較為少見。本文以工程實例為依托，探討波浪樁在復雜施工條件下的工程實際應用。

1 工程概況及地質條件

望江縣幸福河流域某堤防工程現(xiàn)狀堤頂高程16.68～19.82m，且普遍建有房屋（如圖1）；堤身高度3～5m，寬度10～20m，臨水坡坡比1∶1.1～1∶3.5左右，部分堤段近乎直立，背水坡坡比1∶2.0～1∶5.0；圩內地面高程12.38～15.24m。2016年汛期，受水位明顯上漲影響（最大洪水位17.00m），該處堤防部分堤段出現(xiàn)滑坡、滲流等險情。

圖1 堤防工程現(xiàn)狀

工程區(qū)地貌單元為河流沖積圩畈區(qū)，堤防均為人工堤防。根據(jù)野外勘探成果，勘察范圍內揭露地層自上而下劃分：①1人工填土；①2人工填土；②1淤泥質粉質黏土（Q4al）；②3層粉質黏（壤）土（Q4al）；②4層粉質黏土（Q4al）；③層重（輕）砂壤土（Q4al）；④層中細砂（Q4al）；⑤層粉質黏土（Q4al）。

各地層工程地質參數(shù)如表1，地層分布如圖2。

表1 工程區(qū)地層巖土參數(shù)

圖2 堤防工程典型地質剖面

2 工程項目實施

本工程實施的目標是解決該區(qū)域防洪問題，防洪標準為20年一遇（相應設計洪水位16.35m）。工程區(qū)部分堤段臨水側現(xiàn)狀邊坡幾近垂直，且背水側有大量民房存在。項目實施過程中，需避免征地拆遷、減少項目對周邊居民的影響；同時，在保證工程安全和工程規(guī)模的條件下，應盡可能降低工程投資；此外，工程區(qū)河流枯水期為11月～次年4月，且本工程涉及堤段較長，對施工質量和施工組織要求較高。

3 工程方案比選

參考類似工程經驗，結合本次設計，該堤防加固工程擬采用如下方案：

3.1 純土方加培方案

按1∶2.5坡比直接放坡至堤外腳，堤身采用預制塊護坡和草皮護坡（以設計洪水位+0.5m高程為界），對新筑堤腳占壓區(qū)淤泥全部清挖至好土處，并在堤腳設拋石護岸。

3.2 重力擋土墻方案

臨水側設置重力式擋土墻，墻頂高程13.0m～14.5m（擋墻臨空面平均高度2～2.5m），墻后以1∶2.5放坡至堤頂，新筑堤坡分別采用生態(tài)砌塊護坡和草皮護坡（以設計洪水位+0.5m高程為界）。

3.3 波浪樁方案

臨水側設置預應力鋼筋混凝土波浪樁，樁頂布置冠梁，冠梁頂高程13.0～14.5m（樁懸出高度平均2～2.5m，樁長8.0m），波浪樁冠梁后以1∶2.5坡至堤頂新筑堤坡分別采用生態(tài)砌塊護坡和草皮護坡。

初步設計階段，從行洪影響、施工難易、環(huán)境影響和可比投資方面對3種方案進行比較，結果如表2。

表2 加固方案對比

通過表2可知，純土方加培方案行洪影響較大，土方回填及清淤量大，若清淤不徹底加培后的臨水坡堤坡安全也難以保證；重力式擋墻方案造價較高，施工難度大，工期長；波浪樁施工難度小，工期較短，對環(huán)境影響小，可比投資較低；此外，波浪樁造型美觀，且可以將防滲處理與之結合。本文推薦采用波浪樁方案，并對推薦方案工程安全進行進一步分析。

4 堤防穩(wěn)定分析

Autobank軟件是由河海大學研發(fā)的、主要用于水利水電行業(yè)的有限元計算程序，可進行滲流、穩(wěn)定、應力、沉降等參數(shù)的計算，該計算軟件具有操作簡單、效率高、結果可靠等優(yōu)點。本文采用該軟件對堤防穩(wěn)定進行分析計算。

4.1 現(xiàn)狀堤防穩(wěn)定計算

堤防穩(wěn)定計算前的滲流分析采用2016年汛期最高水位進行反演分析，該段堤防在此水位下出現(xiàn)滑坡。根據(jù)GB50286—2013《堤防工程設計規(guī)范》要求，采用瑞典條分法計算穩(wěn)定滲流期背水坡、水位驟降期臨水坡抗滑安全系數(shù)?，F(xiàn)狀堤防穩(wěn)定計算成果如表3。

表3 現(xiàn)狀堤防穩(wěn)定計算成果

由表3可知，在水位驟降期，臨水坡抗滑安全系數(shù)不僅小于規(guī)范允許值，還小于1.0，表明在此工況下，臨水坡將發(fā)生滑坡險情，該計算結果與實際情況一致，必須對該段堤防進行加固處理。

4.2 堤防加固穩(wěn)定計算

根據(jù)工程方案比選結果，擬定波浪樁樁長8.0m，其中波浪樁臨空高度2.0～2.5m； 為增強波浪樁整體性，樁頂設0.4m厚冠梁，樁后培土至現(xiàn)狀堤頂。計算時，直徑300mm的波浪樁可等效為樁徑300mm、樁間距484mm的圓樁。堤頂房屋簡化為均布荷載。

本次設計洪水標準為20年一遇，相應設計洪水位16.35m，在此工況下，采用瑞典條分法分別計算堤防加固后完建期臨水坡與背水坡、穩(wěn)定滲流期背水坡、水位驟降期臨水坡抗滑安全系數(shù)，穩(wěn)定計算成果如表4。

表4 堤防加固穩(wěn)定計算成果

由表4可知，堤防加固后，各種工況下抗滑穩(wěn)定計算均能滿足規(guī)范要求，同時可發(fā)現(xiàn)臨水坡最危險滑弧均通過樁底，表明該方案安全可靠、經濟合理。

5 結語

以工程實例出發(fā)，針對復雜的施工環(huán)境和施工條件，從設計階段研究分析合理的工程實施方案，并結合生態(tài)環(huán)保需求、和諧美觀需要，利用AutoBank軟件計算分析堤防穩(wěn)定，研究分析波浪樁在堤防加固工程中的應用，得出以下結論：

（1）波浪樁拼接竣工后視覺效果好，具有較高的美觀性；波浪樁為工廠化生產，機械垂直沉樁，質量可控，采用高性能混凝土、耐久性好，減少土方開挖、施工效率高，綜合性價比較好。

（2）波浪樁工程施工條件要求較低，有利于控制施工質量，且可根據(jù)地質情況靈活調整樁長，確保樁底進入穩(wěn)定土層，降低軟基處理費用。此外，波浪樁邊緣設有企口，必要時通過灌漿可有效保障止水效果。

（3）AutoBank軟件可以靈活實現(xiàn)有限元分析功能，操作簡便、分析計算結果可靠；其在水工專業(yè)領域的應用可顯著提高水工專業(yè)設計、施工人員的工作效率，降低復雜有限元軟件操作過程中的開發(fā)障礙。

（4）在本次方案設計研究過程中發(fā)現(xiàn)，波浪樁樁長與臨空高度的關系對邊坡穩(wěn)定影響明顯。合理確定波浪樁臨空高度與樁長的關系，對堤防安全、工程造價具有重要意義，有待進一步研究。