福建莆田木蘭溪防洪工程白塘段灘地及河道整治方案探討

陳瑞椿

（莆田市萩蘆溪水電管理處，福建 莆田 351100）

1 白塘段工程簡(jiǎn)況

莆田市木蘭溪防洪工程白塘段堤防工程起于木蘭溪下游涵壩水閘（起點(diǎn)樁號(hào)BT0+000），止于寧海橋上游570 m（止點(diǎn)樁號(hào)BT2+650.73）處[1]。白塘段主槽整治范圍為涵壩水閘外引港末端至寧海橋段，整治岸線長(zhǎng)2650.73 m（樁號(hào)BT0+000.0～BT2+650.73）[1]，其中樁號(hào) BT0+000.0～BT0+172.41 段涵壩水閘外引港護(hù)岸段工程量及投資已在木蘭溪下游三期荔涵段防洪工程中計(jì)列，實(shí)際需要整治主槽岸線長(zhǎng)2478.32 m。

白塘段防洪工程位于舊河道，主槽岸坡平均流速大于2.0 m/s，左岸易受水流沖刷。位于河道彎道的鎮(zhèn)前左岸（樁號(hào)BT1+092.89～BT2+120.47）（見圖1）凹岸河槽在小洪水作用下，沖刷坑深2.0 m左右，在50年一遇洪水作用下，最大沖刷坑深3m～4m。地質(zhì)勘測(cè)資料顯示，本工程范圍內(nèi)河道主槽邊坡多為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥，凹岸沖刷段河道主槽現(xiàn)有天然土層無法滿足抗沖要求，主槽需進(jìn)行防沖護(hù)砌。

2 主槽水流頂沖段防沖方案

2.1 方案選定

白塘段鎮(zhèn)前段（樁號(hào)BT1+092.89～BT2+120.47）為水流頂沖段。設(shè)置丁壩是常用的處理水流頂沖的措施之一，但設(shè)置丁壩對(duì)河勢(shì)影響較大。木蘭溪下游河道斷面平均流速一般大于2.0 m/s，設(shè)置丁壩后可能解決了其下游一定河段內(nèi)的沖刷問題，但可能將主流挑至對(duì)岸，水流紊亂、流態(tài)復(fù)雜，給對(duì)岸或上游河段帶來新的沖刷問題。采用單一拋石，由于每塊拋石都是松散體，河床掏刷成溝槽后，松散的石塊坍落入溝槽，拋石護(hù)腳將最終失效。

根據(jù)現(xiàn)狀堤外灘地地形和感潮河段的施工條件，河道主槽護(hù)岸岸頂高程確定為4.0 m，坡腳高程為0.50 m，主槽岸坡高程0.5 m～4.0 m范圍采用孔洞率約30%～40%的聯(lián)鎖式大塊型生態(tài)混凝土砌塊護(hù)砌，面層生態(tài)混凝土砌塊厚150 mm，孔洞內(nèi)回填碎石，下層鋪設(shè)200 mm厚度碎石墊層和350 g/m2反濾土工布。根據(jù)河段水文、地形地質(zhì)條件，結(jié)合主槽護(hù)岸邊坡穩(wěn)定情況，對(duì)護(hù)岸的護(hù)腳防沖結(jié)構(gòu)和邊坡加固方式擬定三種方案進(jìn)行比選。

（1）方案一:護(hù)腳軟體排防沖+邊坡水泥攪拌樁加固。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床采用C25混凝土預(yù)制塊軟體排防沖處理，軟體排展開長(zhǎng)度40.0 m。河床受洪水沖刷后形成較深的沖刷坑，經(jīng)計(jì)算，天然地基主槽邊坡雖基本穩(wěn)定，但無法達(dá)到規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定要求。為保護(hù)主槽岸坡的穩(wěn)定，在坡頂布置Ф600 m水泥攪拌樁加固，共3排，樁距為1.0 m，梅花型布置，樁身穿透淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，樁端置于砂卵石或粉質(zhì)粘土層上。見圖2。

圖2 護(hù)腳軟體排防沖+邊坡水泥攪拌樁加固方案斷面圖

（2）方案二:護(hù)腳拋填塊石+面層合金網(wǎng)兜防沖。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床拋填塊石，拋石體面層采用合金網(wǎng)兜石防沖處理。合金網(wǎng)兜采用特種合金材料制成兜狀，鋼絲直徑2.0±0.05 mm，內(nèi)裝塊石，單個(gè)石兜重約1 t，攤鋪后平均厚0.45 m。由于凹岸河床現(xiàn)狀底面高程較低，主槽岸坡高程0.5 m～-3.5 m之間仍為1∶5.0～1∶8.0的斜坡，根據(jù)主槽邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，河床沖刷形成深坑后，天然地基主槽邊坡雖基本穩(wěn)定，但無法達(dá)到規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定安全要求。為保護(hù)主槽岸坡的穩(wěn)定，在主槽岸坡坡腳高程0.5 m布置15.0 m寬的反壓平臺(tái)，因此，河床拋填塊石的寬度在20 m以上。見圖3。

圖3 護(hù)腳拋填塊石+面層合金網(wǎng)兜防沖方案斷面圖

（3）方案三:護(hù)腳軟體排防沖+坡腳灌注樁加固。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床采用C25混凝土預(yù)制塊軟體排防沖處理，軟體排展開長(zhǎng)度30.0 m，河床沖刷后形成較深的沖刷坑，經(jīng)計(jì)算，天然地基主槽邊坡雖基本穩(wěn)定，但無法達(dá)到規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定安全要求。為保護(hù)主槽岸坡的穩(wěn)定，在岸坡靠近坡腳位置布置Ф1000@1200 mm鉆孔灌注樁連續(xù)墻加固，以減小圍護(hù)樁承受的荷載，縮短樁長(zhǎng)。由于受到潮汐影響，圍護(hù)樁位置以盡量延長(zhǎng)施工時(shí)段考慮，施工平臺(tái)高程約為2.5 m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)20.0 m，樁端進(jìn)入砂卵石層。見圖4。

圖4 護(hù)腳軟體排防沖+坡腳灌注樁加固方案斷面圖

以上三種護(hù)岸結(jié)構(gòu)的可比工程量及投資比較成果（以15 m長(zhǎng)作為一個(gè)計(jì)算單元）見表1。

經(jīng)比較，方案一和方案二工程投資相當(dāng)，方案三投資最高，且遠(yuǎn)大于方案一和方案二。方案二采用護(hù)腳拋填塊石+面層合金網(wǎng)兜石護(hù)面，雖然合金網(wǎng)石兜采用特種合金材料使單個(gè)相互獨(dú)立的小塊石形成整體，“以小拼大”成大體積塊體，具有抵抗高速水流防沖作用。但是，木蘭溪河道河床表層為深厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，凹岸水流作用下，河床可能形成3 m～4 m深的沖刷坑，臨河床側(cè)面層合金網(wǎng)兜及其下部的拋填塊石體會(huì)隨著沖刷坑的發(fā)展塌落，下部拋填塊石裸露，受到水流常年沖刷影響，拋石體逐漸流失，護(hù)腳平臺(tái)寬度縮小，或?qū)⑽＜爸鞑圩o(hù)岸邊坡的整體穩(wěn)定，日常運(yùn)行管理時(shí)，須對(duì)護(hù)腳拋石體的變化加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)及時(shí)采取補(bǔ)拋加固處理，工程運(yùn)行維護(hù)成本高。因此，推薦方案一“護(hù)腳軟體排防沖+邊坡水泥攪拌樁”方案。

表1 主槽凹岸護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式比較表

2.2 堤防及主槽邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

堤防邊坡抗滑穩(wěn)定按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄F中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

（1）本工程土堤堤基土層相對(duì)均勻，土堤的失穩(wěn)破壞形式為圓弧滑動(dòng)，土堤抗滑穩(wěn)定采用瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為:

式中:Ks為計(jì)算安全系數(shù)；C為滑動(dòng)面的凝聚力，kPa；L為滑弧總長(zhǎng)，m；r為土的密度 kN/m3；bi，hi為土條的寬度和高度，m；W為土條重量，kN/m，W=r×bi；ai為土條弧邊的弦與水平線夾角度，°；φ 為土的內(nèi)摩擦角度，°。

（2）土堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況分為正常情況和非常情況。

①堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算

正常運(yùn)用條件為:

工況1:設(shè)計(jì)洪水工況，木蘭溪河道水位為P=2%設(shè)計(jì)洪水位，計(jì)算堤防背水坡的抗滑穩(wěn)定。

工況2:驟降工況，木蘭溪河道水位從P=2%設(shè)計(jì)洪水位驟降3.0 m，計(jì)算迎水坡的抗滑穩(wěn)定。

非常運(yùn)用條件為:

工況3:施工期，木蘭溪河道為低潮位-1.0 m，堤后北洋河網(wǎng)正常水位為3.70 m，計(jì)算堤防迎水坡、背水坡的抗滑穩(wěn)定。

②主槽護(hù)岸邊坡穩(wěn)定計(jì)算

正常運(yùn)用條件為:

工況1:驟降工況，潮水位6小時(shí)內(nèi)從灘地高程3.5 m驟降至-1.0 m，計(jì)算主槽岸坡的抗滑穩(wěn)定。

非常運(yùn)用條件為:

工況2:施工期工況，木蘭溪河道低潮位-1.0 m，堤后北洋河網(wǎng)正常水位為3.70 m，計(jì)算主槽岸坡的抗滑穩(wěn)定。

③堤防及主槽護(hù)岸邊坡穩(wěn)定計(jì)算

正常運(yùn)用條件為:

工況1:驟降工況，木蘭溪河道水位從P=2%設(shè)計(jì)洪水位驟降3.0 m，計(jì)算堤防及主槽岸坡的整體抗滑穩(wěn)定。

工況2:驟降工況，潮水位6 h內(nèi)從高程3.5 m驟降至-1.0 m，計(jì)算堤防及主槽岸坡的整體抗滑穩(wěn)定。

非常運(yùn)用條件為:

工況3:施工期，木蘭溪河道低潮位-1.0 m，堤后北洋正常水位為3.70 m，計(jì)算堤防及主槽岸坡的整體抗滑穩(wěn)定。

（3）計(jì)算成果

根據(jù)地質(zhì)土層分布情況及巖土的物理力學(xué)指標(biāo)，場(chǎng)地土存在有較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，軟土抗剪強(qiáng)度低、承載力低，易變形，呈高壓縮性，存在抗滑穩(wěn)定問題，堤基工程地質(zhì)條件差。本次 分 別 選 取 樁 號(hào) BT0+250.00、BT1+300.00、BT2+000.00 和BT2+500.00等幾個(gè)典型斷面進(jìn)行邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算。堤身夯填粘性土計(jì)算指標(biāo)根據(jù)料場(chǎng)勘探成果，結(jié)合上游已建堤段的堤身填土經(jīng)驗(yàn)確定，即飽和快剪Cq=23 kPa，Фq=16°；飽和固快Cq=16 kPa，Фq=20°。

①堤防邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

在主槽岸坡穩(wěn)定的情況下，計(jì)算天然地基條件下的堤防迎水坡、背水坡各工況抗滑穩(wěn)定成果見表2。

表2 堤防邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果（不考慮主槽岸坡穩(wěn)定情況的天然地基）

由表2計(jì)算成果可知，在主槽岸坡穩(wěn)定的情況下，計(jì)算天然地基條件下的堤防迎水坡、背水坡各工況抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

②主槽護(hù)岸邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

白塘段整治后的主槽岸坡坡比為1∶5.0，坡頂高程為4.0 m，坡腳高程為0.50 m，高程0.50 m以下河床按照現(xiàn)狀地形采用C25混凝土預(yù)制塊軟體排進(jìn)行鋪底防沖處理，護(hù)岸邊坡穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核河床受水流作用并形成沖刷坑后的整體抗滑穩(wěn)定情況。本次選取樁號(hào)BT0+250.00和BT1+300.00兩個(gè)斷面，計(jì)算主槽護(hù)岸在天然地基條件下的邊坡抗滑穩(wěn)定，成果見圖5、圖6及表3。

圖5 工況一主槽護(hù)岸樁號(hào)BT0+250.00斷面邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖（天然地基）

圖6 工況一主槽護(hù)岸樁號(hào)BT1+300.00斷面邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖（天然地基）

表3 主槽護(hù)岸邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果（天然地基）

為保護(hù)主槽護(hù)岸的穩(wěn)定，在“主槽護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式比選”中確定采取Ф600 mm深層水泥攪拌樁對(duì)主槽岸坡進(jìn)行加固，樁距為1.0 m，梅花型布置，共3～4排，面積置換率為32.6%。水泥攪拌樁設(shè)計(jì)水泥摻量為17%，樁身抗壓強(qiáng)度按1.0 MPa計(jì)算，推算水泥攪拌樁樁身抗剪強(qiáng)度C=250 kPa，內(nèi)摩擦角φ=25°，加固后的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層綜合抗剪強(qiáng)度C=92 kPa，內(nèi)摩擦角φ=10.6°。

主槽岸坡采用Ф600 mm深層水泥攪拌樁加固處理后，邊坡抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。加固后各工況主槽護(hù)岸邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見圖7、圖8及表4。

圖7 工況一主槽護(hù)岸樁號(hào)BT0+250.00斷面邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖（岸坡加固處理后）

圖8 工況一主槽護(hù)岸樁號(hào)BT1+300.00斷面邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖（岸坡加固處理后）

表4 主槽護(hù)岸邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果（主槽護(hù)岸岸坡加固處理后）

③岸整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)白塘段堤防及主槽護(hù)岸工程布置及選定的主要建筑物結(jié)構(gòu)型式，整治后的主槽岸線距離堤軸線18 m～55 m，灘地寬度9 m～45 m，其中主槽護(hù)岸樁號(hào)HA0+000.00～HA0+264.94和HA1+453.17～HA2+992.41段灘地寬度較窄，僅9 m～25 m，其余段灘地寬度為25 m～45 m。本次計(jì)算對(duì)主槽護(hù)岸采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固的工程段，分別選取樁號(hào)BT0+250.00和BT1+300.00斷面進(jìn)行整體邊坡抗滑穩(wěn)定復(fù)核。

在堤基為天然地基條件下，計(jì)算堤防及主槽護(hù)岸整體邊坡抗滑穩(wěn)定成果見圖9及表5。

圖9 工況二樁號(hào)BT0+250.00斷面堤防及主槽護(hù)岸邊坡整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖（主槽岸坡加固處理，堤基為天然地基）

表5 堤防及主槽護(hù)坡整體邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果（堤基為天然地基）

由表5可知，主槽護(hù)岸采用水泥攪拌樁加固后，因樁號(hào)BT1+300.00斷面所處位置灘地較寬，堤防及主槽岸坡整體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；而樁號(hào)BT0+250.00斷面所處位置灘地較窄，在潮水位從3.50 m驟降至-1.0 m工況時(shí)，堤防及主槽護(hù)岸岸坡整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)大于1.0，但不滿足規(guī)范要求。經(jīng)試算，在主槽岸坡采用水泥攪拌樁加固后，堤前灘地寬度大于22.0 m時(shí)，堤防及主槽護(hù)岸邊坡整體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。因此，需對(duì)堤防樁號(hào)BT0+150.00～BT0+450.00和BT1+650.00～BT2+250.00段堤防的堤基進(jìn)行加固。建議在護(hù)腳位置布置3排Ф600 mm水泥攪拌樁加固，樁距1.0 m，梅花形布置。堤基加固處理后計(jì)算樁號(hào)BT0+250.00斷面的堤防及主槽護(hù)岸整體抗滑穩(wěn)定成果見表6。

表6 堤防及主槽護(hù)岸整體邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

由表6可知，堤基和主槽護(hù)岸岸坡采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固后，堤防及主槽護(hù)岸整體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

由以上計(jì)算可知，因工程區(qū)地基存在深厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，且下臥的粉砂層粘聚力低，存在邊坡抗滑問題。為保護(hù)主槽護(hù)岸邊坡的穩(wěn)定，需對(duì)主槽岸坡進(jìn)行加固處理。同時(shí)，本堤段新建堤防局部緊鄰主槽護(hù)岸，經(jīng)分析，對(duì)堤外灘地寬度小于22.0 m堤段，需對(duì)堤防堤基進(jìn)行加固處理，以滿足堤防及主槽岸坡整體抗滑穩(wěn)定需要。建議采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固，樁間距為1.0 m，梅花型布置。堤基及主槽岸坡加固處理后，各種工況的堤防及主槽岸坡整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見表7。

表7 堤防及主槽護(hù)岸整體邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

根據(jù)主槽岸坡的地形、地質(zhì)條件，因采取水泥攪拌樁加固的范圍位于現(xiàn)有主槽內(nèi)側(cè)灘地上，施工條件較好，潮水漲落對(duì)施工影響有限，且工程投資遠(yuǎn)低于方案三。因此，推薦方案一，即河道主槽岸坡高程0.50 m～4.0 m范圍采用孔洞率約30%～40%的聯(lián)鎖式大塊型生態(tài)混凝土砌塊護(hù)砌，坡腳以外河床采用C25混凝土預(yù)制塊軟體排防沖處理，邊坡采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固。