城區(qū)段堤防加固相關(guān)設(shè)計問題及創(chuàng)新應(yīng)用的思考

張 策，姚怡斐

（1.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310020；2.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城區(qū)堤防工程的重要性逐步提高，顯現(xiàn)出來一些問題：一是高程未達(dá)標(biāo)。部分地區(qū)一方面由于上游的規(guī)劃工程一時無法完全落地，一方面由于自身沉降、交叉建筑物的興建等原因?qū)е滤慧崭?，致使現(xiàn)狀堤防無法達(dá)到原設(shè)計的防洪標(biāo)準(zhǔn)。二是堤身不密實。在上一輪堤防建設(shè)中，主要側(cè)重老堤加固或堤防新建。老堤多為雜填土，滲透系數(shù)大，存在滲流安全隱患；新建堤防的堤身多為吹填土，壓縮系數(shù)較大，經(jīng)多年運行后，堤身土方與上部硬質(zhì)化堤頂逐漸脫開連接，形成堤身空洞。三是制約因素多。由于城區(qū)段堤身背水坡現(xiàn)狀景觀綠化普遍完好，且堤頂已作為周邊居民與水環(huán)境連接的重要紐帶，所以在建設(shè)時需要考慮既不破壞現(xiàn)狀堤身背水坡上部的景觀設(shè)施，又不能在堤頂加高后阻斷人與水的和諧關(guān)系。

曹娥江為錢塘江下游的最大支流，由南向北流經(jīng)紹興市新昌縣、嵊州市，至上虞區(qū)注入錢塘江。其中上虞城區(qū)段堤防起始于鐵路大橋，終止于舜江大橋，兩岸全長約5 km，該段堤防已于2000—2005 年實施城防建設(shè)工程，歷經(jīng)約20 年的運行管理后，堤防已逐漸出現(xiàn)上述問題。本文以上虞區(qū)曹娥江（城區(qū)段）堤防的建設(shè)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，以安全為出發(fā)點，結(jié)合景觀、民生等要素進(jìn)行分析梳理，對城區(qū)段堤防提出改造提升的方案設(shè)想，總結(jié)創(chuàng)新點，為相關(guān)城區(qū)段工程的設(shè)計工作提供新思路（見圖1）。

圖1 本文分析思路圖

2 堤頂加高

2.1 方案設(shè)想

堤頂加高的設(shè)計方案本質(zhì)上是將設(shè)計堤頂高程加高與降低人水之間高差兩個方面相統(tǒng)一。上虞城區(qū)段堤防的堤頂小擋墻高0.7 m，根據(jù)規(guī)劃[1]及相關(guān)安全評價報告[2]的計算，本段堤防需在此基礎(chǔ)上加高約1.0 m?？紤]到高差較大且工程位于城區(qū)，若將現(xiàn)狀0.7 m 高的小擋墻按照傳統(tǒng)的混凝土方案加高至1.7 m，則較大程度上影響周邊居民與曹娥江的人水和諧關(guān)系。因此，本文提出2 種方案：一是采用移動式防洪墻方案（見圖2），高水位臨時加高，低水位時則拆除恢復(fù)原狀[3]；二是采用箱型堤頂加高方案（見圖3），即堤頂小擋墻采用玻璃欄桿加高[4]，堤頂路面同步采用箱型鋼筋混凝土加高以消除高差。設(shè)計方案比選見表1。

圖2 移動式防洪墻方案圖

圖3 箱型堤頂加高方案圖 單位：cm

表1 堤頂加高方案比選表

方案的選擇主要從以下考慮因素出發(fā)：一是結(jié)構(gòu)安全性。箱型堤頂加高不僅可通過減載提高安全性，還可以在后續(xù)的堤防提標(biāo)工程中留有安全裕度。二是施工連續(xù)性。考慮到堤頂同樣需要開挖以進(jìn)行防滲及加固處理，可結(jié)合箱型堤頂加高方案一并實施。三是工程影響力。城區(qū)段堤防工程的線路長、投資大，而本工程中除堤頂以外均為隱蔽工程，在箱型堤頂加高方案實施后，人與水之間無實體小擋墻阻隔，消除了視覺障礙，此外，下部設(shè)有埋地照明系統(tǒng)，為市民增加夜間游玩及休憩空間。

2.2 方案創(chuàng)新設(shè)想說明

在安全性方面，通過箱型結(jié)構(gòu)置換土方以減少堤頂荷載，從而削減堤身下滑力，減緩老擋墻后側(cè)土壓力，提高堤身整體穩(wěn)定系數(shù)；在便民性方面，增加堤頂高程的同時削減人水高差，保護(hù)現(xiàn)狀景觀及周邊建筑的完整性，在箱體頂部布設(shè)燈光設(shè)施，內(nèi)側(cè)箱體可作為防汛倉庫或便民設(shè)施存放點，提供“地下儲藏室”功能，加強(qiáng)應(yīng)急搶險與防汛儲備保障。

3 堤身防滲及加固

上虞城區(qū)段堤防主要分為2 類：一類為雜填土區(qū)段。部分區(qū)段的堤防大多是在早期土埝的基礎(chǔ)上經(jīng)多次加修而成，由于受當(dāng)時技術(shù)、設(shè)備和社會環(huán)境等條件限制，筑堤質(zhì)量不一，往往表現(xiàn)為堤身存在較多不均勻體、松散體，滲透系數(shù)大且堤身狹窄，存在滲流安全隱患。另一類為吹填土區(qū)段。在上一輪建設(shè)中，部分堤身土方采用吹填土，吹填土為軟土，壓縮系數(shù)較大，而本區(qū)段堤防的堤頂為硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，其外河側(cè)支撐于擋墻上部，沉降較小，歷經(jīng)多年運行后，堤身土方與上部硬質(zhì)化堤頂逐漸脫開連接，形成沉降差，已經(jīng)成為堤防安全度汛的薄弱環(huán)節(jié)。

以問題為導(dǎo)向，針對雜填土區(qū)段進(jìn)行堤身防滲方案比選，對吹填土區(qū)段進(jìn)行堤身加固方案比選。

3.1 堤身防滲

3.1.1 方案設(shè)想

堤身防滲加固方面，重點需要考慮以下4 個因素：一是施工質(zhì)量的可靠性。采用高壓旋噴樁防滲有施工質(zhì)量隱蔽性大、防滲不明顯以及污染環(huán)境等缺點[5]。二是周邊環(huán)境的敏感性。由于本工程位于城區(qū)，對污染、噪聲等要求較高。三是項目投資的合理性。本工程重點為防滲，對防滲材料的防滲性能要求高，而對其支護(hù)能力要求不高，需因地制宜采用合理方案確定投資。四是工程地質(zhì)的復(fù)雜性。根據(jù)地勘報告說明[6]，雜填土區(qū)段的堤身填土以黏性土為主，中間局部夾雜碎石及塊石，該地質(zhì)條件對方案選擇的制約性較大。

本次主要對2 種方案進(jìn)行比選：一是采用拉森鋼板樁垂直防滲的方案（見圖4）。拉森鋼板樁是一種強(qiáng)度高、自重輕、隔水性好且施工周期短的材料，在水利工程施工中得到廣泛應(yīng)用[7]。二是采用塑鋼板樁垂直防滲的方案（見圖5）。高強(qiáng)度塑鋼板樁（以下簡稱塑鋼板樁）采用強(qiáng)化復(fù)合材料經(jīng)特殊工藝一次性擠壓成型，有材質(zhì)輕、隔水性能好、抗老化、耐腐蝕、施工快捷、使用壽命長等優(yōu)點，還具備施工占地面積小、便于搬運堆放、綠色環(huán)保無污染等優(yōu)勢，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)[8]。設(shè)計方案比選見表2。

表2 堤身防滲方案比選表

圖4 拉森鋼板樁垂直防滲方案圖 單位：cm

圖5 塑鋼板樁垂直防滲方案圖 單位：cm

拉森鋼板樁與塑鋼板樁均具有良好的防滲性能，但塑鋼板樁投資較省且環(huán)保無污染，推薦使用塑鋼板樁組成垂直防滲體。

3.1.2 方案創(chuàng)新設(shè)想說明

由于塑鋼板樁自身強(qiáng)度不高，施工中需要在其外側(cè)嵌入一個鋼制送樁板，通過打樁機(jī)一并振動入土，插打完畢后送樁板抽回，通過對送樁板的重復(fù)利用來輔助塑鋼板樁施工[8]。

考慮到沿線堤身填土局部夾雜碎石及塊石等硬質(zhì)層，送樁板無法攜帶塑鋼板樁插打到設(shè)計要求的深度。因目前不確定沿線硬質(zhì)層范圍，本次單獨采用送樁板沿線預(yù)插打，遇到硬質(zhì)層則采用旋挖鉆機(jī)按照設(shè)計深度實施鉆機(jī)引孔工藝，施工平面布置見圖6。引導(dǎo)孔采用跳打成孔，施工順序為1#孔→2#孔→3#孔→4#孔→5#孔，孔直徑80 cm，孔與孔之間交叉重疊10 cm，成孔后采用送樁板攜帶塑鋼板樁進(jìn)行插打，最后完成全線防滲結(jié)構(gòu)施工。

圖6 鉆機(jī)引孔施工平面布置圖

本次不僅有創(chuàng)新性地提出采用新材料塑鋼板樁進(jìn)行垂直防滲，還根據(jù)不利的地質(zhì)條件提出采用送樁板與旋挖鉆機(jī)相結(jié)合的成孔施工工藝，既破解了施工難題，又有效減少了工程投資。

3.2 堤身加固

3.2.1 方案設(shè)想

由于堤身為吹填土，土體抗剪強(qiáng)度較低，經(jīng)過近20 年運行，近期堤身內(nèi)部已出現(xiàn)空洞（見圖7）。此外，原設(shè)計為混凝土灌砌塊石的老擋墻已部分出現(xiàn)破損，局部土方從塊石縫隙中流出，造成堤身土方的水土流失（見圖8）。

圖7 堤身空洞圖

圖8 墻身破損圖

針對上述問題，建議采用水泥灌漿方案，包括老擋墻迎水面注漿加固、老擋墻下部土體斜向注漿加固以及老擋墻后側(cè)堤身土體豎向加固，具體方案見圖9。

圖9 堤身加固方案示意圖 單位：cm

3.2.2 方案創(chuàng)新設(shè)想說明

考慮到老擋墻表面條石結(jié)構(gòu)的完整性以及盡量不破壞堤防面貌的原則，在堤身進(jìn)行大孔徑鉆注漿孔顯然不合適，而手持式與小功率臺式鉆機(jī)存在鉆深超過1.5～2.0 m 后動力明顯不足、極易卡鉆、功效低的缺點。雖然大功率臺式SG220F 鉆機(jī)無上述缺點，但存在鉆深后鉆桿晃動、卡鉆、定位膨脹螺絲影響堤防外觀的缺點。本次建議采用增加特制底座的混凝土取芯鉆機(jī)[9]，當(dāng)鉆孔直徑為2 cm 時，實際最大鉆深可達(dá)37 cm，滿足灌漿需求，經(jīng)測算分析，鉆孔直接費用成本為107 元/m（見圖10）。

圖10 底座經(jīng)過改制的臺式混凝土取芯鉆機(jī)圖

4 結(jié)論

（1）近年來，隨著保護(hù)區(qū)重要性的提高及上下游交叉建筑物的興建，城區(qū)段堤防需要提標(biāo)加固，需要解決的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有：堤頂加高、堤身防滲、堤身加固。此外，由于位于城區(qū)段，在設(shè)計中還需考慮保持堤防外貌、不增加人水高差等因素。

（2）在堤頂加高方面，需將設(shè)計堤頂高程加高與降低人水高差2 方面進(jìn)行統(tǒng)一。建議采用箱型堤頂加高的方案，可同步提高堤頂路面高程，減緩老擋墻土壓力，其獨特的箱體結(jié)構(gòu)可同時提供堤頂路面燈光以及“地下儲藏室”功能，滿足城市化進(jìn)程及防汛物資儲存需求。

（3）在雜填土區(qū)段的堤身防滲方面，為提高隱蔽工程施工質(zhì)量的可控性，采用新材料塑鋼板樁垂直防滲。在地質(zhì)條件較差區(qū)段，采用送樁板與旋挖鉆機(jī)相結(jié)合的成孔施工工藝，既破解了施工難題，又有效減少了工程投資。

（4）在吹填土區(qū)段的堤身加固方面，通過水泥灌漿對老擋墻及后側(cè)土體進(jìn)行豎向加固。其中對老擋墻墻身加固需采用小直徑鉆孔進(jìn)行注漿，推薦采用增加特制底座的大功率臺式SG220F 鉆機(jī)，解決鉆深后鉆桿晃動明顯甚至卡鉆、定位膨脹螺絲影響堤防外觀的問題。