某河道清淤樁布設(shè)方案研究

陳昌澤，顧 洋，董聯(lián)杰，劉戰(zhàn)鋒

(1.浙江華東工程建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 310000；2.華北水利水電大學(xué) 巖土工程與水工結(jié)構(gòu)研究所，河南 鄭州 450046)

隨著我國社會(huì)的快速發(fā)展，城市人口數(shù)量激增，大大超出了城市基礎(chǔ)設(shè)施的承載能力，給城市的發(fā)展建設(shè)造成了一系列的問題，其中最引人矚目的就是城市黑臭水體問題[1]。如今，人們?cè)絹碓街匾暢鞘猩鷳B(tài)空間的建設(shè)，這就使得城市河道清淤的重要性日益突出。城市河道清淤的周圍環(huán)境條件極其復(fù)雜，如果支護(hù)方案選擇不當(dāng)，嚴(yán)重時(shí)將誘發(fā)臨近建筑物變形、臨近道路裂縫以及誘發(fā)周圍環(huán)境產(chǎn)生其他影響問題，河道清淤的研究工作主要集中在其自身的安全穩(wěn)定問題，如河道內(nèi)土體變形規(guī)律、安全與穩(wěn)定以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形等。在河道清淤時(shí)，為保證河道兩岸的穩(wěn)定性，往往采用支護(hù)樁等支護(hù)型式。俞文虎等[2]以有限元法為基礎(chǔ)，采用樁單元模擬樁對(duì)復(fù)雜邊坡不同樁間距抗滑樁支護(hù)效果進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)在抗滑樁設(shè)計(jì)中，樁間距既不能過大亦不能過小;樁間距過大，則治理效果較差，拱效應(yīng)作用微弱;樁間距過小，則施工困難，費(fèi)用增加，對(duì)原狀坡體的擾動(dòng)增大。楊貞貞等[3]以貴州省劍河清水江防洪堤項(xiàng)目為例，基于FLAC3D下的數(shù)值計(jì)算方法研究加筋格賓擋土墻的力學(xué)特性及安全穩(wěn)定性，并結(jié)合擋土墻施工過程及不同河道水位下工作情況，分析數(shù)值擬合不同參數(shù)對(duì)加筋格賓擋土墻影響的結(jié)果合理性，揭示各工況、不同參數(shù)下?lián)跬翂Φ牧W(xué)特性及安全穩(wěn)定性。俞曉等[4]根據(jù)強(qiáng)度折減法，運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件探討抗滑樁截面尺寸以及樁側(cè)摩阻對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，指出實(shí)際抗滑樁工程中控制和優(yōu)化樁的有效截面尺寸，采用多樁減寬的方式將是經(jīng)濟(jì)有效的。雷寧等[5]針對(duì)具體工程開展岸坡防護(hù)措施研究，并借助有限元數(shù)值軟件FLAC開展岸坡防護(hù)與坡體穩(wěn)定性影響參數(shù)分析，得出岸坡隨坡度增大安全穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，但最大位移量與穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)性并不顯著；岸坡表層應(yīng)力為0，坡身內(nèi)部存在負(fù)應(yīng)力值，并隨深度增大，應(yīng)力值遞增。文章基于涵江區(qū)都邠溝河道整治工程，利用FLAC3D軟件探討了不同樁支護(hù)距離方案的選擇，以期為城市河道整治提供借鑒。

1 工程概況

1.1 都邠溝河道特點(diǎn)

都邠溝位于莆田市涵江區(qū)，流向?yàn)樽晕鞅毕驏|南。起點(diǎn)處都邠村段臨河而建密集排布的1～3F磚混民居及臨時(shí)板房；中段兩岸以農(nóng)田及建筑工地為主；尾段高林街至終點(diǎn)段，左岸為已建1～3F磚混民居及莆田十七中操場(chǎng)，右岸多為荒地，兩岸沿河已建砌石擋墻，頂寬約0.60m，高出河面約1m。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程地貌單元屬于海相沉積及海陸交互相沉積地貌單元。根據(jù)鉆探揭露及室內(nèi)土工試驗(yàn)，該工程區(qū)內(nèi)覆蓋層主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、殘積砂質(zhì)黏性土等組成，具體分布情況如下所述。①雜填土：以雜色、灰色為主，松散，稍濕，由黏性土、碎礫石及建筑垃圾等組成，局部表層含有生活垃圾，粗硬質(zhì)含量占40%～60%，上下分布不均，未經(jīng)碾壓夯實(shí)。②粉質(zhì)黏土：以黃棕色，灰黃色為主，可塑，以粉黏粒為主，無搖振反應(yīng)，切面光滑有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等。③淤泥：灰黑色，流塑，污手，略有腥臭味，切面光滑有光澤，無搖振反應(yīng)。局部鉆孔的淤泥中含有少量粗砂，粒徑為0.50～2mm。④殘積砂質(zhì)黏性土：以褐黃色、灰黃為主，可塑，切面可觀察到原巖結(jié)構(gòu)，以黏性土為主，殘留少量石英顆粒，約占10%，稍有光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性低。

1.3 計(jì)算斷面形式

本次支護(hù)距離方案比選采用都邠溝臨時(shí)清淤設(shè)計(jì)方案中的河道清淤斷面，支護(hù)型式為仿松木樁(C25鋼筋砼)+斜坡。其中仿松木樁樁長6m，樁徑為0.30m，沿河道密排布置，仿松木樁至擋墻的距離有三種方案：1、3、5m。

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

利用FLAC3D程序分析仿松木樁至擋墻不同距離時(shí)的河道護(hù)岸變形特征。計(jì)算模型以都邠溝左岸基礎(chǔ)底板背水側(cè)一端為起點(diǎn)，在垂直河道方向取18.60m作為計(jì)算模型的x方向，背向擋墻一側(cè)為正；在沿河流方向取8m作為計(jì)算模型的y方向，指向河流下游方向?yàn)檎?；在豎直方向取10.50m作為計(jì)算模型的z方向，豎直向上為正?，F(xiàn)狀擋墻高度暫無，根據(jù)實(shí)際情況推算，在計(jì)算模型中高度取為0.90m。

計(jì)算模型單元數(shù)為15456個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為18234個(gè)。土層材料本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，現(xiàn)狀擋墻、仿松木樁及塊石采用Isotropic Elastic材料模型，簡(jiǎn)化方法與文獻(xiàn)[6]一致。邊界條件為模型底部變形全部約束，四個(gè)側(cè)面均約束法向位移。另外，對(duì)模型坡頂1m外施加10kPa均布荷載，即現(xiàn)狀擋墻外側(cè)1～6m范圍內(nèi)。如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告、區(qū)域經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)規(guī)范計(jì)算等資料，采用的參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.3 施工工況

(1)工況1：在距離擋墻邊1m(3m，5m)處，采用6m仿松木樁進(jìn)行支護(hù)。

(2)工況2：河道排水，擋墻后側(cè)為地下水位，墻前無水。

(3)工況3：土方回填放坡，坡比為1∶4，并用植草護(hù)坡等方式對(duì)岸坡進(jìn)行保護(hù)。

(4)工況4：河道清淤，清淤厚度為60cm。

(5)工況5：仿松木樁附近2m，清淤60cm后進(jìn)行塊石擠淤，擠淤厚度為70cm。

2.4 模擬結(jié)果分析

河道排水后，由于擋墻臨水側(cè)失去了抵抗背水側(cè)主動(dòng)土壓力的靜水壓力，現(xiàn)狀擋墻及其下粉質(zhì)黏土整體向河道一側(cè)水平移動(dòng)，最大水平位移達(dá)到2.30cm，如圖2所示。現(xiàn)狀擋墻后方土體發(fā)生沉降，沉降范圍延伸至擋墻底部，最大沉降位移達(dá)到1.67cm，在右側(cè)河道內(nèi)，由于河水排出，土體發(fā)生卸荷回彈，其回彈位移最大為6.12mm，如圖3所示。此時(shí)護(hù)岸位移較大，河道排水后可能會(huì)出現(xiàn)塌岸現(xiàn)象，故在河道排水前，需進(jìn)行樁基施工。

圖2 河道排水后水平位移

圖3 河道排水后豎向位移

采用仿松木樁支護(hù)排水后，樁周一定范圍內(nèi)的土層密實(shí)度得到提高，起到擠密作用。應(yīng)力向樁體逐漸集中，樁周土體所承受的應(yīng)力相應(yīng)減少，大部分荷載由仿松木樁承受。此時(shí)現(xiàn)有擋墻及其周圍土體不再有較大位移發(fā)生，如圖4—5所示，河道護(hù)岸穩(wěn)定，可以進(jìn)行清淤工作。

圖4 仿松木樁支護(hù)河道排水后水平位移(1m)

圖5 仿松木樁支護(hù)河道排水后豎向位移(1m)

河道清淤等工況完建后，支護(hù)方案一中最大水平位移出現(xiàn)在仿松木樁及其背后下方的土體，最大值約為5.50mm，河道內(nèi)土體由于清淤卸荷回彈，其回彈位移最大為7.67mm，如圖6—7所示，由于樁身材料為C25混凝土，其發(fā)生較大水平位移，河道清淤后有可能會(huì)出現(xiàn)塌岸現(xiàn)象。

圖6 支護(hù)方案一水平位移

圖7 支護(hù)方案一豎向位移

支護(hù)方案二中，最大水平位移出現(xiàn)在仿松木樁及其背后下方的土體，最大值約為2.47mm，回填土體在自重的作用下，其最大沉降位移為3.67mm，河道內(nèi)土體由于清淤卸荷回彈，其回彈的位移最大為4.56mm，如圖8—9所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)河道兩岸起到支撐保護(hù)作用，根據(jù)實(shí)際工程的要求，此時(shí)河道兩岸已達(dá)到穩(wěn)定。

圖8 支護(hù)方案二水平位移

圖9 支護(hù)方案二豎向位移

支護(hù)方案三中，最大水平位移出現(xiàn)在仿松木樁及其背后下方的土體，最大值約為1.89mm，回填土在自重的作用下，其最大沉降位移為4.52mm，河道內(nèi)土體由于清淤卸荷回彈，其回彈的位移最大為3.75mm，如圖10—11所示，此方案支護(hù)效果略好于方案二。

圖10 支護(hù)方案三水平位移

圖11 支護(hù)方案三豎向位移

3 方案比選

綜上所述，方案二、方案三的河岸穩(wěn)定性滿足工程要求，且仿松木樁距離擋墻越遠(yuǎn)，對(duì)于穩(wěn)定更加有利。方案一中仿松木樁支護(hù)距離擋墻1m，清淤完建工況的穩(wěn)定性不滿足工程要求。從安全穩(wěn)定、不占河道、節(jié)約時(shí)間和成本等多方面考慮，本次清淤支護(hù)推薦方案二，即仿松木樁距離擋墻間距為3m。

4 結(jié)論

本次河道清淤斷面采用仿松木樁(C25鋼筋砼)+斜坡的支護(hù)型式，在河道清淤排水前，需進(jìn)行樁基施工，且仿松木樁距離擋墻越遠(yuǎn)，河道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形越小，對(duì)于穩(wěn)定更加有利，當(dāng)仿松木樁的距離增加到一定程度時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形受支護(hù)距離變化的影響減弱，選用支護(hù)方案時(shí)，應(yīng)從多個(gè)方面綜合考慮。當(dāng)安全性滿足時(shí)，應(yīng)選擇有利于施工、能夠節(jié)約時(shí)間和成本的支護(hù)方案。利用有限差分軟件FLAC3D對(duì)河道清淤的不同工況進(jìn)行數(shù)值分析，可以更好地協(xié)助分析和判斷施工的具體情況，確保清淤工程的安全性，尤其是對(duì)于鄰近建筑物密集的河道。另外，在此基礎(chǔ)上，可以選擇經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)景觀性較優(yōu)的支護(hù)方案。