福安市賽江左岸扆山至溪柄橋段堤防工程地基處理研究

漆 云

(廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610)

0 引 言

城市河道堤防工程建設(shè)是一項(xiàng)十分重要的工程。由于自然河道岸坡穩(wěn)定性較差，在河水長(zhǎng)期的沖刷作用下，岸坡坍塌現(xiàn)象十分常見(jiàn)，將造成嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象，同時(shí)不利于河道生態(tài)保護(hù)[1-3]。堤防作為一種極為常用的防洪措施，其修建可以改善河道岸坡穩(wěn)定性較差的現(xiàn)象，同時(shí)，也可保護(hù)沿線居民免受洪水災(zāi)害影響[4-6]。軟土是影響工程建設(shè)的一個(gè)重要因素，結(jié)合溪柄鎮(zhèn)賽江左岸扆山至溪柄橋堤段工程，對(duì)堤基處理方案進(jìn)行分析。

1 工程概況

溪柄鎮(zhèn)賽江左岸扆山至溪柄橋堤段位于溪柄鎮(zhèn)區(qū)。溪柄鎮(zhèn)區(qū)位于賽江干流左岸，鎮(zhèn)區(qū)北面為賽江支流茜洋溪，鎮(zhèn)區(qū)南面為賽江支流龍新溪。鎮(zhèn)區(qū)北面茜洋溪左岸防洪堤已列入賽江防洪一期工程，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇，現(xiàn)狀已建成。鎮(zhèn)區(qū)南面支流龍新溪以104國(guó)道為界，104國(guó)道溪柄橋上游兩岸緊鄰鎮(zhèn)區(qū)，兩岸防洪堤已建成。104國(guó)道下游兩岸現(xiàn)狀為農(nóng)田，河道為自然河岸，未設(shè)任何防洪設(shè)施。賽江左岸與104國(guó)道之間現(xiàn)狀為農(nóng)田示范區(qū)，規(guī)劃為鎮(zhèn)區(qū)，河岸為自然河岸，未設(shè)任何防洪設(shè)施。

2 堤防工程設(shè)計(jì)

2.1 地基處理方案比選

根據(jù)工程地質(zhì)勘察揭示，賽江左岸扆山至溪柄橋堤段堤基廣泛分布有一層淤泥軟弱層，淤泥層以上一般覆蓋有一層薄層粉質(zhì)黏土及部分雜填土，淤泥層以下為卵石。

樁號(hào)YX0+000-YX2+369段，堤基表層雜填土或粉質(zhì)黏土在1.8-3.1m之間，下層淤泥層厚一般在2-4m之間，下臥倒層為砂卵石層和粉質(zhì)黏土層；樁號(hào)YX2+620-YX2+870段，地基表層雜填土或粉質(zhì)黏土厚3-4.5m，下層淤泥層厚約1-1.8m，該兩段堤防地基均存在淤泥軟弱地基層，需進(jìn)行地基處理。

軟弱地基的處理方法有墊層法和淺層處理、反壓法、水平加筋、豎向排水體、真空預(yù)壓、料粒樁、加固土樁、水泥粉煤灰碎石樁、剛性樁、爆破擠淤、強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換等。

樁號(hào)YX0+000-YX2+369和YX2+620-YX2+870段淤泥表層均覆蓋粉質(zhì)黏土層，部分堤段粉質(zhì)黏土層較厚，局部可達(dá)4.5m，淤泥層亦厚2-5m，且堤基寬度大，墊層和淺層處理不可行。本堤段淤泥層厚度不大，采用料粒樁、加固土樁、水泥粉煤灰碎石樁、剛性樁等方法明顯工程投資大；采用真空預(yù)壓、爆破擠淤等方法，則施工技術(shù)要求高。本階段設(shè)計(jì)根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)，擬定以下3種方案進(jìn)行比較。

方案一：反壓法；

方案二：反壓法+加筋法；

方案三：反壓法+加筋法+排水固結(jié)法。

各地基處理方案詳見(jiàn)各方案典型斷面圖，見(jiàn)圖1。

(a)方案一

(b)方案二

(c)方案三

從施工技術(shù)上看，3個(gè)方案均較為常見(jiàn)，但方案三施工工藝相對(duì)較為復(fù)雜，其次為方案二，方案一最優(yōu)。

從工程占地上看，方案一占地最大，方案二其次，方案三占地較小。三者相差不大。結(jié)合城鎮(zhèn)總體規(guī)劃，工程保護(hù)區(qū)擬大范圍征地，并填土至7.2m高程。且在堤背規(guī)劃建設(shè)濱江路，堤背占地處于規(guī)劃路路基以下，三個(gè)方案在占地上的實(shí)際差距可進(jìn)一步減小。三個(gè)方案在占地上的實(shí)際差異主要體現(xiàn)在堤前占地，但堤外灘地不可利用。如不考慮堤背占地，則三個(gè)方案每100m占地指標(biāo)依次為0.39hm2、0.36hm2、0.34hm2。3個(gè)方案占地差異不明顯。

從工程造價(jià)上看，方案一每100m可比工程投資221.9萬(wàn)元，投資最為節(jié)??；其次為方案二，可比工程投資264.1萬(wàn)元；方案三投資最大，為280.9萬(wàn)元。

由于所選典型斷面為淤泥最為深厚的堤段，隨著上游淤泥厚度逐漸變小，堤基表層覆蓋層厚度逐漸增加，方案二、三的占地上的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步縮減。綜上因素，本階段設(shè)計(jì)推薦方案一，即反壓法方案。

樁號(hào)YX2+369-YX2+620段，地基表層雜填土或粉質(zhì)黏土在0-1.4m之間，局部淤泥層出露，淤泥層厚度1.8-2.8m之間，淤泥層之下為0.5-2.6m后粉質(zhì)黏土層，下臥層為砂卵石層。該段淤泥層相對(duì)較薄，本次考慮將淤泥挖除換填黏土方式對(duì)堤基進(jìn)行處理。

樁號(hào)YX2+870-YX3+100段，堤基表層雜填土或粉質(zhì)黏土厚約5m，下層為砂卵石層，堤基無(wú)軟弱層無(wú)需進(jìn)行堤基處理。

2.2 堤防工程方案

溪柄鎮(zhèn)溪柄堤段(YX0+000-YX2+718)主要堤型結(jié)構(gòu)為：堤頂防汛公路寬4m，防汛道路下分別為透水磚5cm、1∶2水泥砂漿結(jié)合層3cm、C15混凝土墊層10cm，防汛道路迎水側(cè)設(shè)置C20混凝土防浪墻；迎水側(cè)坡比為1∶2.5，護(hù)面采用15cm后現(xiàn)澆生態(tài)混凝土護(hù)坡，材料由上至下分別為：覆土植草綠化厚30mm、填充復(fù)合營(yíng)養(yǎng)改良材料一層、現(xiàn)澆生態(tài)混凝土厚150mm、400g/m2營(yíng)養(yǎng)土工布一層，并設(shè)置C25鋼筋混凝土框梁；坡腳為C20混凝土小擋墻防沖護(hù)腳，頂寬1m，高1.5m；背水側(cè)坡比為1:2.0，為草皮護(hù)坡堤腳設(shè)置C20排水溝。并于迎水坡和背水坡坡腳位置設(shè)置5.0-7.0m的反壓平臺(tái)。見(jiàn)圖2。

圖2 溪柄鎮(zhèn)溪柄堤段(YX0+000-YX2+718)堤型結(jié)構(gòu)

溪柄鎮(zhèn)溪柄堤段(YX2+718-YX3+100)主要堤型結(jié)構(gòu)為：堤頂防汛公路寬4m，防汛道路下分別為透水磚5cm、1∶2水泥砂漿結(jié)合層3cm、C15混凝土墊層10cm，防汛道路迎水側(cè)設(shè)置漿砌條石防浪墻；堤身為C20埋石混凝土擋墻，表面采用30cm厚M10條石鑲嵌，頂寬1.0m，迎水面坡度為1∶0.15，墻背坡度為1∶0.35，墻身設(shè)置DN110@2.0×2.0mPVC排水管，梅花形布置；背水側(cè)坡比為1∶2.0，為草皮護(hù)坡。見(jiàn)圖3。

圖3 溪柄鎮(zhèn)溪柄堤段(YX2+718-YX3+100)堤型結(jié)構(gòu)

2.2.1 堤防穩(wěn)定計(jì)算

本堤段共有兩種擋墻型式：直墻式埋石混凝土擋墻和斜坡式土堤。埋石混凝土擋墻需對(duì)擋墻的抗滑、抗傾穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算；斜坡式土堤穩(wěn)定需計(jì)算堤防的整體穩(wěn)定。

1)土材料物理力學(xué)指標(biāo)：

填土計(jì)算指標(biāo)根據(jù)地質(zhì)勘查實(shí)驗(yàn)及參照現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)得出的相關(guān)材料結(jié)果，計(jì)算采用的材料物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。

表1 地基土層相關(guān)材料物理力學(xué)指標(biāo)

表2 土料場(chǎng)土料物理力學(xué)指標(biāo)

2)計(jì)算工況：

堤防穩(wěn)定計(jì)算選取正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，詳見(jiàn)表3、表4。

表3 斜坡式堤防整體穩(wěn)定計(jì)算工況

表4 直墻式埋石混凝土擋墻整體穩(wěn)定計(jì)算工況

3)斜坡式堤防穩(wěn)定計(jì)算：

本次斜坡式堤防穩(wěn)定計(jì)算選取2種情況進(jìn)行計(jì)算：①淤泥層出入較淺的堤段，本次采取挖除淤泥層黏土換填方式處理，選取樁號(hào)YX2+620斷面為代表斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，堤高5.69m；②淤泥層出入較深的堤段，選取沿堤線6個(gè)斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，堤高為3.96-5.03m。斜坡式堤防穩(wěn)定計(jì)算公式及計(jì)算軟件與前面相同。經(jīng)計(jì)算，各種工況下。經(jīng)計(jì)算，各種工況下，堤防整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5：以上3種工況均滿足設(shè)計(jì)允許值，堤防抗滑穩(wěn)定能滿足規(guī)范要求[7]。

續(xù)表5 各種工況堤防整體穩(wěn)定安全系數(shù)

從表5可知，以上3種工況均滿足5.1.4章節(jié)所列的設(shè)計(jì)允許值，堤防抗滑穩(wěn)定能滿足規(guī)范要求。

4)直墻式埋石混凝土擋墻穩(wěn)定計(jì)算：

直墻式埋石混凝土穩(wěn)定計(jì)算本次以樁號(hào)YX2+718斷面為代表斷面進(jìn)行計(jì)算，擋墻高6.29m，擋墻基礎(chǔ)坐落在拋石基礎(chǔ)上。直墻式埋石混凝土擋墻計(jì)算公式及計(jì)算軟件與前面相同[8]。經(jīng)計(jì)算，各種工況下，擋墻穩(wěn)定及基底壓力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 擋墻穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果

經(jīng)計(jì)算擋墻穩(wěn)定安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)允許值，堤防設(shè)計(jì)是安全的。

2.2.2 滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算

堤基主要土層土的滲透變形類型：耕植土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化凝灰熔巖的滲透變形類型為流土，雜填土、砂卵石的滲透變形類型為管涌。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告單行本堤基各主要土層的允許水力坡降：粉質(zhì)黏土0.55，含泥細(xì)砂0.1，中砂0.12，砂卵石0.12-0.15，殘積砂質(zhì)黏性土0.5。

經(jīng)計(jì)算該堤段堤基滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 滲流穩(wěn)定計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算堤基最大滲透坡降0.19，<堤基允許滲透坡降0.5；堤基滲流滿足要求；堤身最大滲透坡降0.24，小于堤身允許滲透降0.5，堤身滲流滿足要求。

2.3 堤岸防護(hù)計(jì)算

2.3.1 堤腳沖刷深度計(jì)算

本堤段河床大部為粉質(zhì)黏土和砂卵石。本堤段水流流向與岸坡最大交角為20°，因此水流流速不均勻系數(shù)均在平順段取1.0，在交角最大取1.25，平順段本次選取最大流速與最大水深斷面計(jì)算沖刷深度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 計(jì)算沖刷深度表

根據(jù)沖刷深度計(jì)算成果，本工程絕大部分堤防沖刷深度均<1.00m，局部堤段沖刷最大沖刷深度為1.29m。結(jié)合福安市地區(qū)河流特點(diǎn)及已建堤防堤腳防沖的處理方式，對(duì)河道堤腳抗沖刷深度按≥1.10m設(shè)置，同時(shí)堤腳設(shè)置拋石，增強(qiáng)堤腳的抗沖性能。

2.3.2 拋石護(hù)腳粒徑計(jì)算

按平均最大流速3.54m/s計(jì)算，則d=0.27，折算成單塊塊石最小重為23kg。故本工程對(duì)拋石護(hù)腳表層理砌塊石最小質(zhì)量要求≥23kg。

2.3.3 護(hù)岸材料厚度計(jì)算

混凝土板作為護(hù)面時(shí)，護(hù)面板厚度按下式計(jì)算：

γb

(1)

式中：t為混凝土護(hù)面板厚度，m；η為系數(shù)，對(duì)于開(kāi)縫板可取0.075；對(duì)于上部開(kāi)縫板，下部為閉縫板可取0.10，本次取0.075；H為計(jì)算波高，取H1%，m；γb為混凝土板的容重，取24；γ為水的容重；L為波長(zhǎng)，m；B為沿斜坡方向護(hù)面板長(zhǎng)度，m，取0.3m；m斜坡坡率，取2.0。

2.3.4 沉降計(jì)算

本堤段堤基存在厚1.7-4m厚淤泥層。溪柄水閘下游段樁號(hào)YX2+718-YX3+100段淤泥層較薄，本次采用拋石對(duì)地基進(jìn)行加固處理，該段堤基和堤身的沉降量較小可忽略。YX2+718上游段，由于堤基存在軟土層，應(yīng)進(jìn)行沉降量計(jì)算，預(yù)留沉降超高，以保證在沉降終了時(shí)堤頂高程能達(dá)到設(shè)計(jì)值。

堤頂部位沒(méi)有外加荷載。因堤基荷載為填土荷載，可假設(shè)在堤頂中心點(diǎn)下附加應(yīng)力沿深度是均布的。淤泥層下的卵石層的沉降量不計(jì)，因此堤基壓縮層計(jì)算深度至卵石層，分別為淤泥4m，粉質(zhì)黏土層3m和堤身填筑土5m。計(jì)算平均自重應(yīng)力和附加應(yīng)力后，根據(jù)地質(zhì)單行本附表5提供的淤泥的e-p關(guān)系曲線中XB4-1和XB2-2，求的改應(yīng)力下對(duì)應(yīng)土層的空隙比。采用下式計(jì)算堤頂中心線下的最終沉降量：

(2)

式中：S為最終沉降量，mm；n為土層數(shù)；e1i為第i土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；e2i為第i土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力作用下的孔隙比；hi為第i層土的厚度，mm；m為修正系數(shù)，粉質(zhì)黏土層取1.0，淤泥層取1.5。

表9 地基土層相關(guān)材料物理力學(xué)指標(biāo)

經(jīng)計(jì)算，堤防最終沉降量為1.033m，本次初步設(shè)計(jì)工后預(yù)留沉降量為1.1m。

3 結(jié) 論

結(jié)合賽江左岸扆山至溪柄橋段堤防工程實(shí)例，選取3種方案進(jìn)行對(duì)比，研究淤泥堤基處理方案。通過(guò)對(duì)比采用反壓法進(jìn)行處理，具有施工簡(jiǎn)便、投資低等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)計(jì)算分析，處理后的堤防工程整體穩(wěn)定性及滲流穩(wěn)定性可滿足要求。堤防最終沉降量約為1.033m，滿足預(yù)留沉降量要求。采用拋石處理后，堤防可滿足防沖刷要求。