模袋混凝土護(hù)坡技術(shù)在雷州青年運河除險加固工程的應(yīng)用研究

劉曉軍

(湛江市高遠(yuǎn)工程咨詢有限公司，廣東 湛江 524000)

0 引 言

近年來，許多城市的運河原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、配套設(shè)施不完善、工程維護(hù)資金嚴(yán)重不足，經(jīng)過數(shù)十年的運行，工程設(shè)施已經(jīng)老化破損嚴(yán)重。特別是在汛期河道的防洪壓力驟增，給城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)帶來了極大的影響。河道治理加固除險往往需要建設(shè)護(hù)岸護(hù)坡工程。護(hù)岸工程使增加工程措施后的護(hù)岸得到防護(hù)，減少水土流失[1]。

普通混凝土護(hù)坡的重點和難點為圍堰工程。圍堰填筑施工時對水體污染大。水下施工難度大，拆除困難。水體較深，可能會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，并且實施難度較大，同時方案造價較高[2]。模袋混凝土護(hù)坡采用新型模袋建筑材料，實施過程中除整理平整護(hù)坡時影響少量水體外，灌漿和護(hù)坡平整等大部分工程措施均在水下進(jìn)行，施工工期短，建設(shè)資金少，無需采取圍堰等臨時措施，對供水能力影響有限[3]。根據(jù)在雷州地區(qū)2015年的“鶴地水庫庫區(qū)水毀修復(fù)工程應(yīng)急搶險工程”中均有采用模袋混凝土護(hù)坡對水下護(hù)岸進(jìn)行加固，加固后運行情況較為良好。

文章以雷州青年運河的除險治理工程為研究背景，通過對現(xiàn)場的勘察，對場區(qū)的工程地質(zhì)條件和不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行評價，在梳理河道的問題現(xiàn)狀基礎(chǔ)上。通過模袋混凝土護(hù)坡技術(shù)對該河道進(jìn)行護(hù)坡加固。以期探究模袋混凝土護(hù)坡與傳統(tǒng)護(hù)坡相比的優(yōu)勢特色，為類似的護(hù)岸工程提升參考依據(jù)。

1 工程概況與河道問題現(xiàn)狀

雷州青年運河源于廣東湛江廉江市鶴地水庫?？偢珊娱L78km，另有四聯(lián)河、主運河、西海河、東運河、西運河等5條分支，全長271km。雷州青年運河以農(nóng)業(yè)灌溉為主[4]。是解決雷州半島干旱面貌的重要水利基礎(chǔ)設(shè)施。

目前雷州青年運河河道主要存在以下問題：

1)工程設(shè)施已經(jīng)老化破損嚴(yán)重，主運河渠道多處河段已出現(xiàn)內(nèi)坡滑坡、坍塌、滲漏等險情，安全險患十分嚴(yán)重。

2)主運河仍存在多處安全隱患，特別是主運河共青壩段和平坡仔壩段險情尤為突出，一直以來都是處于工程帶病運行狀態(tài)。

3)經(jīng)過運河的防汛安全檢查，發(fā)現(xiàn)主運河共青壩段和平坡仔壩段內(nèi)坡滑坡塌方加重，外坡滲水漏水加劇，堤壩白蟻活動頻繁，蟻害非常嚴(yán)重，安全險患日益嚴(yán)重，隨時有潰壩風(fēng)險，不但影響市區(qū)供水安全，且嚴(yán)重威脅周邊人民群眾生命財產(chǎn)安全[4]。

4)主河險工險段主要為平坡仔壩段和共青壩段兩段共900m，應(yīng)亟需進(jìn)行應(yīng)急加固處理。

2 場地工程地質(zhì)條件及問題評價

2.1 工程水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地層主要為人工填土層(Q4ml)及第四系殘積層(Qel)，劃分為2層，現(xiàn)從上而下分述如下：

1)層素填土：松散，主要由黏性土組成，含少量砂粒，回填時間>10a，屬老填土。該層在場地內(nèi)分布均勻，各孔均有分布，主要為運河壩體回填土，層厚0.90-7.50m，中等透水性。

2)層粉質(zhì)黏土：硬可塑-硬塑為主，底部堅硬，黏性一般，以粉黏粒為主，含較多砂粒，局部含少量強(qiáng)風(fēng)化巖碎塊。該層場地內(nèi)分布均勻，各孔均有分布，層厚9.80-14.10m，層頂埋深0.90-7.50m，中等透水性。

各巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)，見表1。

表1 各巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

擬建場地臨近的地表水為運河河水，地表水對擬建工程影響大。場地在的地下水類型主要為孔隙潛水，主要接受地表水及大氣降雨補給，場地內(nèi)陸地鉆孔地下水穩(wěn)定水位埋深平均3.06m，相應(yīng)高程平均31.96m，略低于運河水位，表明收運河河水補給。地下水位受降雨量和蒸發(fā)量影響較大，地下水位年變幅約1-2m。

2.3 不良地質(zhì)現(xiàn)象問題及評價

2.3.1 場地土評價

擬建場地原始地形較平緩，地貌簡單；存在厚度較大的人工填土。場區(qū)地基土屬中軟場地土，在鉆探深度內(nèi)未發(fā)現(xiàn)新時期斷裂構(gòu)造，地面未發(fā)現(xiàn)滑坡、坍塌、沉陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象。故場地穩(wěn)定性一般，適宜本工程建設(shè)。

2.3.2 滲透穩(wěn)定性評價

1)運河河堤滲漏及滲透穩(wěn)定評價：運河運行以來年久失修，內(nèi)坡混凝土護(hù)坡破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)邊混凝土破裂、崩塌、沖毀等現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)破滑坡塌方加重，堤岸滲流較大等，所以運河河堤存在滲漏問題。

2)運河巖土滲漏與滲透穩(wěn)定評價：運河及堤基由①層素填土，②層粉質(zhì)黏土等組成，①層素填土②層粉質(zhì)黏土為中等透水層，均可能引起滲漏問題。

2.4 勘察總結(jié)評價

經(jīng)過勘查，運河河岸工程老化，內(nèi)破邊坡混凝土破裂、坍塌、沖毀，滲流量較大等，外坡滲水漏水加劇，其嚴(yán)重影響運河安全運行，主運河共青壩段和平坡仔壩段內(nèi)坡滑坡塌方加重，外坡滲水漏水加劇，堤壩白蟻活動頻繁，蟻害非常嚴(yán)重，安全險患日益嚴(yán)重，隨時有潰壩風(fēng)險。因此有必要對滲漏較大的河堤采取加固措施?？刹捎媚４炷翆﹄U段左右岸迎水面護(hù)坡進(jìn)行加固或其他合適的方案對河堤進(jìn)行加固處理。

3 綜合治理方案設(shè)計

3.1 模袋混凝土護(hù)坡優(yōu)勢

模袋混凝土是通過用高壓泵把混凝土或水泥砂漿灌入模袋中，混凝土或水泥砂漿的厚度通過袋內(nèi)吊筋袋、吊筋繩(聚合物如尼龍等)的長度來控制，混凝土或水泥砂漿固結(jié)后形成具有一定強(qiáng)度的板狀結(jié)構(gòu)或其它狀結(jié)構(gòu)，能滿足工程的需要[6]。土工模袋作為一種新型的建筑材料，可廣泛用于水利工程防護(hù)工程[7]。模袋混凝土護(hù)坡采用新型模袋建筑材料，實施過程中除整理平整護(hù)坡時影響少量水體外，灌漿和護(hù)坡平整等大部分工程措施均在水下進(jìn)行，施工工期短，建設(shè)資金少，無需采取圍堰等臨時措施，對供水能力影響有限。

3.2 典型護(hù)坡斷面設(shè)計

項目區(qū)屬于近期規(guī)劃的主運河供水能力改造工程，主運河樁號K21+460-K21+860、K29+430-K29+930兩段共900m長河堤，滿足渠道過水要求，渠道無須加高，但沿線護(hù)坡均已破損，須重建混凝土護(hù)底護(hù)坡。進(jìn)行內(nèi)護(hù)坡加固處理，采用水下模袋混凝土護(hù)坡進(jìn)行永久加固處理。

模袋混凝土護(hù)坡厚度為25cm，坡比根據(jù)現(xiàn)狀為1∶1.5，在原有護(hù)坡基礎(chǔ)上，清理渠道邊坡及渠底的破損混凝土板，然后用碎石包將崩塌淘空處填筑密實并整平。整平后應(yīng)預(yù)留25cm模袋混凝土的厚度，確保不會縮小現(xiàn)有河道斷面面積，混凝土護(hù)坡建成后不會減少主運河過流能力[8]。模袋每20m設(shè)置一個隔離帶，每個隔離體之間互不相通，模袋按設(shè)計要求在工廠進(jìn)行整片制作后現(xiàn)場連接。后由專業(yè)潛水員負(fù)責(zé)潛入水下把按照渠道寬度事先制作好的混凝土專用模袋固定在渠底及邊坡；模袋固定好后，使用長臂混凝土泵車將C30水下混凝土從模袋預(yù)留的灌入口，潛水員負(fù)責(zé)協(xié)助灌入混凝土，并使模袋貼緊渠道邊坡及渠底。一段模袋灌滿后再灌注下一段模袋。

3.3 模袋混凝土護(hù)坡厚度設(shè)計

根據(jù)《水利水電工程模袋混凝土技術(shù)規(guī)范》(標(biāo)準(zhǔn)編號T/CWEA 11-2020)，模袋混凝土護(hù)坡厚度可以根據(jù)附錄A推薦的公式計算下：

(1)

式中：δ為計算護(hù)坡厚度,m；C為面板系數(shù)，大塊混凝土護(hù)面，C取1.0；rc為混凝土的容重，kN/m3，取值24；rw為水的容重，kN/m3，取值9.81；Hw為計算波高，m，當(dāng)d/L≥0.125，取H4%,當(dāng)d/L<0.125,取H13%；d為堤前或岸坡前水深，m；波高根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)附錄C中計算；Lw為波長，m；波長根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)附錄C中計算；Lc為垂直于水邊線的護(hù)面長度，m；m為斜坡坡率，m取值1.5。

經(jīng)計算δ≥0.16m，參照類似工程經(jīng)驗及滿足施工要求，模袋混凝土護(hù)坡厚度為0.25m。

4 穩(wěn)定性分析計算與監(jiān)測

4.1 公式法抗滑穩(wěn)定驗算

根據(jù)《水利水電工程模袋混凝土技術(shù)規(guī)范》(標(biāo)準(zhǔn)編號T/CWEA 11-2020)，模袋混凝土護(hù)坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為：

(2)

式中：Fs為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，根據(jù)邊坡的建筑級別確定；L2為模袋混凝土斜坡段長度，m；L3為模袋混凝土底部水平段長度，m；α為坡腳；fcs為模袋混凝土與坡面間摩擦系數(shù)，應(yīng)由試驗確定，無試驗資料時，初設(shè)階段可取0.5。

有關(guān)參數(shù)：平坡仔段混凝土斜坡長度L2平均10m長，底部水平段長度L3為3m，坡角為33.69°，則計算得到Fs=2.05；共青壩段混凝土斜坡長度L2平均10.5m長，底部水平段長度L3為3m，坡角為33.69°，則計算得到Fs=2.03。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2020)，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，見表2，采用計及條塊間作用力方法時，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)表≥表2規(guī)定的數(shù)值，因此本次模袋混凝土護(hù)坡滿足抗滑穩(wěn)定計算。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

4.2 有限元分析模擬驗算

PLAXIS巖土工程有限元分析軟件是用于解決巖土工程的變形、穩(wěn)定性以及地下水滲流問題的通用有限元系列軟件。PLAXIS內(nèi)置了許多土地本構(gòu)模型土體本構(gòu)計算模型，我們使用摩爾—庫侖模型(MC)作為模袋混凝土護(hù)坡的土體本構(gòu)模型。

岸坡開挖護(hù)坡施工是一個土體不斷卸載、土體內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變不斷重分布的過程，因此岸坡周圍一定范圍內(nèi)的土體受力、變形均受土方開挖施工的影響，下邊界則需根據(jù)土層決定，一般選擇較堅硬、穩(wěn)定性好的土層作為下邊界。因此二維計算模型的尺寸為100m×50m。

坡頂鍍鋅鋼管樁使用錨桿單元模擬、模袋使用結(jié)構(gòu)實體單元模擬，設(shè)置常年水位32m。

兩斷面計算成果，見表3。模擬護(hù)坡最不利斷面在正常、暴雨、水文驟降的各工況穩(wěn)定計算成果，根據(jù)計算成果可知，公式法計算結(jié)果與PLAXIS計算結(jié)果相似，模型合理可行。

表3 兩斷面計算成果

由表3可知，按照本設(shè)計加固后的堤防整體穩(wěn)定在各個工況下均滿足要求，現(xiàn)狀堤防安全系數(shù)均在1.2以上。因此本次設(shè)計方案是合理、可行的。

4.3 監(jiān)測分析

為檢測岸坡在模袋混凝土支護(hù)下的穩(wěn)定性，對岸坡施工至竣備期間進(jìn)行監(jiān)測，達(dá)到指導(dǎo)安全施工開挖破線，核驗治理后岸坡穩(wěn)定性的效果。以最不利斷面共青壩段K29+430-K29+930右岸坡為例，設(shè)置觀測項目：①坡頂鍍鋅鋼管樁位移監(jiān)測JC1；②坡底JC2；③坡面每間隔3m個監(jiān)測點自坡上而下為JC3-JC5，布設(shè)土體位移計。開挖期、支護(hù)期、穩(wěn)定期累計發(fā)生最大位移，最大位移結(jié)果，見表4。

表4 最大位移結(jié)果

從監(jiān)測結(jié)果來看，整體從開挖到護(hù)坡穩(wěn)定結(jié)束后岸坡的變形均在30mm監(jiān)測預(yù)警值內(nèi)。開挖期間對坡頂?shù)奈灰谱冃蜗鄬ψ畲?，這是以為你削坡使得坡頂岸坡卸荷對頂部土地牽引較大。護(hù)坡穩(wěn)定后坡腳位移最大，是因為岸坡穩(wěn)定后，逐漸對坡腳的堆載累積擠壓造成。

5 治理工程經(jīng)濟(jì)評價

5.1 工程效益分析

本工程項目是以防洪為主要目標(biāo)的純水利項目，屬于公益項目，主要產(chǎn)生的是社會效益，本項目其投入使用后將會有長遠(yuǎn)的社會效益和環(huán)境效益[8]。

本項目總投資為992.57萬元，項目固定資產(chǎn)投資為868.85萬元。本項目采用多年平均供水效益計算，根據(jù)有關(guān)規(guī)定及參照類似工程項目，本項目多年平均供水效益為100萬元。

5.2 國民經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)計算

水利建設(shè)項目計算期包括建設(shè)期、運行初期和正常運行期。根據(jù)本工程的工作特點，水庫除險加固后即可投入正常運行。本水庫加固后正常運行期取30a。本工程總工期為6個月，建設(shè)期1a，計算期共31a，工程開工后第2年開始產(chǎn)生效益。計算基準(zhǔn)年為開工的第1年。國民經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)計算3項：①經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率EIRR=8.7%；②經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值(Is=8%)ENPV=53.19(萬元)；③經(jīng)濟(jì)效益費用比(Is=8%)EBCR=1.05。由此可見，該工程的經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為8.7%，>社會折現(xiàn)率8%；經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值53.19萬元，>0；經(jīng)濟(jì)效益費用比1.05，>1.0。所以該工程在國民經(jīng)濟(jì)上是可行的。

6 結(jié) 論

文章通過對雷州青年運河平坡仔壩段和共青壩段的加固除險工程為研究點，綜合深入分析了除險段的工程現(xiàn)狀和工程地質(zhì)條件后，根據(jù)現(xiàn)場條件和施工條件，綜合對比分析傳統(tǒng)護(hù)坡和模袋混凝土護(hù)坡模式，選用了模袋混凝土的護(hù)坡模式。同時對模袋護(hù)坡的典型斷面進(jìn)行了設(shè)計，對厚度根據(jù)規(guī)范條件進(jìn)行了計算，使用公式法結(jié)合plaxis有限元模擬驗算了抗滑穩(wěn)定性滿足要求。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)印證了項目的安全可行性。經(jīng)過國民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計算評價后，工程的經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為8.7%，>社會折現(xiàn)率8%；經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值53.19萬元，>0；經(jīng)濟(jì)效益費用比1.05，>1.0。所以該工程可行。

文章在研究模袋混凝土護(hù)坡時，對于岸坡生態(tài)環(huán)境治理研究偏少，當(dāng)下城市河道治理中除對除險加固要求外，往往河道承擔(dān)了提升城市生態(tài)環(huán)境職能，這是護(hù)坡工程今后研究的新重點方向。