珠江某河段堤防加固與除險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐

楊 麗

(廣東宇源水利發(fā)展有限公司， 廣東 梅州 514000)

河段堤防加固與除險(xiǎn)工程，涉及物理學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科專業(yè)，該項(xiàng)工程建設(shè)需要統(tǒng)籌考慮、兼顧歷史、因地制宜提出有效施工方案。同時(shí)，河道堤防加固與除險(xiǎn)工程建設(shè)關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，與廣大群眾利益息息相關(guān)，必須做好科學(xué)管理，加強(qiáng)堤防工程施工質(zhì)量的管控工作[1-3]。本文以珠江某河段為例對堤防加固與除險(xiǎn)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 堤防項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目現(xiàn)狀

本工程針對的是廣州市珠江堤岸防護(hù)工程(后航道某段堤防加固)位于某村，起點(diǎn)為某海鮮城，終點(diǎn)為涌水閘出口，屬于珠江后航道堤圍的一部分。共需整治堤段全長522 m (自編樁號LT0+000～LT0+522)。工程所在區(qū)段內(nèi)為珠江一級階地，屬珠江三角洲沖積平原地貌單元。堤防設(shè)計(jì)等級1級，防洪標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇洪水。

該段現(xiàn)狀為漿砌石堤岸，西段170 m堤岸上為臨時(shí)停車場和公園，東段330 m岸上為環(huán)村南路，道路北側(cè)是村住宅區(qū)。舊堤外觀基本完整，堤線順直，堤頂高程3.3～3.5 m，已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

一級平臺以下的擋墻坡度1∶0.2,立面結(jié)構(gòu)基本完好，局部混凝土壓頂出現(xiàn)裂縫，砌石勾縫脫落；二級平臺高程在1.1～1.6 m，寬度在2.0 m左右，平臺多處因底部沉降出現(xiàn)裂縫。二級平臺以下的擋墻坡度為1∶0.4，坡腳為散拋石戶腳，然而因長年潮水沖刷掏蝕，多處形成歸塌、空洞，破損較嚴(yán)重，形成安全隱患，需要加固改造。需要對這段長約522 m的地段進(jìn)行加固。

1.2 不良地質(zhì)現(xiàn)象分析

本次河堤段堤長522 m堤身填土主要要素填土，堤峰為雙層結(jié)構(gòu)，上部為淤泥質(zhì)土或者淤泥質(zhì)砂土，下部為中粗砂或砂質(zhì)黏性土或者全風(fēng)化混合巖。堤基上部為軟土，下部為砂性土、黏性土或基巖, 或者中下部為砂性土、黏性土、基巖的組合，D類堤段至少存在一種主要工程地質(zhì)問題，堤段工程地質(zhì)條件差，本次勘察區(qū)域內(nèi)均有揭露。D類堤段長約522 m，占堤段總長的100%。

堤防未見較為明顯的變形破壞，堤外岸坡較為穩(wěn)定，但在上部荷載作用下容易產(chǎn)生沉降變形、滑移或者側(cè)向擠出破壞。本段堤基至少存在一種主要工程地質(zhì)問題，堤段工程地質(zhì)條件差，本次勘察區(qū)域內(nèi)均有揭露，在施工過程中可能出現(xiàn)抗滑穩(wěn)定問題和沉陷問題。注意堤頂加載對堤身及堤基產(chǎn)生的不利影響，需要對地基進(jìn)行加固處理[1-3]。堤身填土存在密實(shí)度不夠、滲漏、滲透穩(wěn)定等問題；地震烈度為7°時(shí)，存在地震液化的風(fēng)險(xiǎn)；堤基存在滲漏和滲透變形的問題；由于砂層較厚，基坑開挖有可能產(chǎn)生管涌及滲透穩(wěn)定問題。

根據(jù)本整治段的巖土工程特征和珠江水水頭變化特征，建議采用鉆孔灌注樁或預(yù)制樁，以巖層為樁端持力層。亦可采用高壓旋噴樁或水泥攪拌樁，對淤泥質(zhì)土層及淤泥質(zhì)砂層進(jìn)行地基處理。 堤外擋墻、護(hù)岸結(jié)構(gòu)等如果需要用樁基處理[4]。

2 堤防重設(shè)思路

2.1 現(xiàn)有堤岸穩(wěn)定性復(fù)核驗(yàn)算

(1)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。 舊堤改造結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計(jì)算采用中國水科院的邊坡穩(wěn)定分析程序STAB，應(yīng)用瑞典圓弧滑動(dòng)計(jì)算法。如表1，取樁號LT0+000、LT0+300、LT0+500所在的斷面，分別按四種工況進(jìn)行計(jì)算。

工況一：設(shè)計(jì)水位2.68 m，水位驟降1 m，堤頂超載10 kN/m2。

工況二：多年平均低潮水位-0.59 m(施工期)，堤頂超載20 kN/m2。

工況三：多年高潮水位0.79 m驟降1.00 m，堤頂超載10 kN/m2。

工況四：歷史最低水位-1.64 m，堤頂超載10 kN/m2。

表1 舊堤整體穩(wěn)定計(jì)算表

(2)基礎(chǔ)應(yīng)力驗(yàn)算及堤身扛傾、抗滑穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)規(guī)定，堤身基礎(chǔ)應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)用理正軟件進(jìn)行計(jì)算[5-6]。分上下兩級堤防按上節(jié)四種工況進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)計(jì)算如下：

抗傾穩(wěn)定計(jì)算，如式(1)：

(1)

式中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；Mv為抗傾覆力矩，kN·m；MR為傾覆力矩，kN·m。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算，如式(2)：

(2)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為底板與堤基之間的摩擦系數(shù)；∑W為作用于墻體上的全部垂直力的總和，kN；∑P為作用于墻體上的全部水平力的總和，kN。

基底壓應(yīng)力計(jì)算，如式(3)：

(3)

式中：σmax(min)為基底的最大或最小壓應(yīng)力，kPa；G為垂直荷載，kN；A為底板面積，m2；M為荷載對底板形心軸的力矩，kN·m；∑W為底板的截面矩，m2·m。

由舊堤的計(jì)算成果表2可知，現(xiàn)有條件下，堤身的抗滑安全系數(shù)、抗傾安全系數(shù)是滿足規(guī)范要求的，在不同的運(yùn)用工況下，基礎(chǔ)平均應(yīng)力在30.14～61.84 kPa之間，地基應(yīng)力最大值為86.28 kPa，小于修正后的地基容許承載力100 kPa，滿足承載力要求但由于地基情況較差，其整體穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。因此本次工程加固的重點(diǎn)是提高地基的整體穩(wěn)定性，改善二級平臺砌石松散現(xiàn)狀[4]。

2.2 堤防加高驗(yàn)算

堤頂高程按設(shè)計(jì)洪(潮)水位加堤頂超高確定。按式(4)計(jì)算：

Z=Zp+Y

Y=R+e+A

(4)

式中：Z為堤頂高程，m；Zp為頻率為p的設(shè)計(jì)洪(潮)水位，m；Y為堤頂超高，m；R為設(shè)計(jì)波浪爬高，m；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度，m；A為安全加高，m。

根據(jù)本次設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并結(jié)合廣州具體情況，根據(jù)珠江多年來的水位漲落特點(diǎn)以及珠江堤防整治經(jīng)驗(yàn)，與城市水景觀建設(shè)相協(xié)調(diào)，規(guī)劃調(diào)整堤頂超高值，堤頂超高采用0.5 m，設(shè)計(jì)高程取整為3.2 m。本次加固改造的該段堤岸，現(xiàn)狀高程在3.3～3.5 m，均已整治達(dá)到設(shè)計(jì)際高。

表2 一級平臺不利斷面計(jì)算成果表

2.3 初步加固方案

本工程整治長度為522 m,設(shè)計(jì)按照規(guī)范要求，同時(shí)結(jié)合廣州市具體情況，并根據(jù)珠江多年來的水位漲落特點(diǎn)以及珠江堤防整治經(jīng)驗(yàn)，與城市水景觀建設(shè)相協(xié)調(diào)，規(guī)劃調(diào)整堤頂超高值[7]。

二級平臺靠近漿砌石擋墻的一側(cè)，做寬400 mm,高500 mm的混凝土花槽，種植水生植物，以提高其生態(tài)性和美觀性[7]。保持原堤腳拋石頂高度，寬度4.1 m。在堤腳位置設(shè)置三排直徑0.6 m的旋噴樁，順堤線方向樁間距1.2 m，垂直底線方向樁間距1.5 m 布置，以提高堤岸的整體穩(wěn)定性。在二級平臺下進(jìn)行固結(jié)灌漿，單排間距2.0 m,灌漿到-1.0 m，提高二級平臺漿砌石擋墻的整體性。

3 加固斷面設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.1 加固斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程的堤岸現(xiàn)狀以及對堤岸穩(wěn)定分析的情況，堤岸整治、加網(wǎng)方案在斷面形式上仍采而已經(jīng)完成整泊堤岸的梯形斷面型式，根據(jù)不同段的現(xiàn)狀采取以下方案：

對一級平臺壓頂及墻面勾縫破損位進(jìn)行修復(fù)，原有二級平臺的混凝土護(hù)面拆除200 mm，做新的C25鋼筋混凝土護(hù)面，并統(tǒng)一到1.40 m高程，原來水平臺以下的漿砌石擋墻，墻面鑿毛后，重新拋填塊石，坡度1∶2，然后在其上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，新做厚度200 mm的C25鋼筋混凝土護(hù)面，提高抗沖刷能力。二級干臺靠近漿砌石擋墻的一側(cè)，做寬0.4 m，高0.5 m的混凝土花槽，種植水生植物，以提高其生態(tài)性和美觀性。堤腳部分設(shè)置拋石至原高程，寬度4.1 m。在堤腳位置設(shè)置直徑0.6 m的旋噴樁，樁底高程-16.9 m，順堤線方向樁間1.2 m，垂直底線方向樁間距1.5 m布置，以提高堤岸整體的穩(wěn)定性，在二級平臺下進(jìn)行一排深至-1.0 m的充填灌漿，間距2 m加強(qiáng)二級平臺砌石的整體性。

該方案維持了堤岸風(fēng)格的一致性，又修復(fù)了已破損的原漿砌石擋墻，而且從根本上解決了原地段整體穩(wěn)定性不足的問題，固結(jié)灌漿增強(qiáng)了砌石的整體性[7]。高壓旋噴樁具有成樁速度快、效率高、施工無振動(dòng)、無噪音等優(yōu)點(diǎn)；但是施工過程中容易造成水泥漿流失，污染環(huán)境。

3.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

新堤改造結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計(jì)算采用中國水科院的邊坡穩(wěn)定分析程序STAB，應(yīng)用瑞典圓弧滑動(dòng)計(jì)算法。取樁號LT0+000、LT0+300、LT0+500所在的斷面，如表3，分別按文中四種工況進(jìn)行計(jì)算。

表3 新堤整體穩(wěn)定計(jì)算表

由計(jì)算結(jié)果可知，加固后的新堤防能夠滿足規(guī)范規(guī)定的整體穩(wěn)定性的要求。

4 堤防整體加固治理方案

4.1 地基處理設(shè)計(jì)

根據(jù)工程現(xiàn)狀及地質(zhì)條件分析，堤防二級平臺處因底部沉降出現(xiàn)多處裂縫，破損較嚴(yán)重，故整治堤岸時(shí)預(yù)計(jì)在二級平臺處進(jìn)行固結(jié)灌漿以提高其整體性，灌漿底高程為-0.1 m,灌漿注漿材料以水泥為主劑，水泥漿液水灰比為1.0∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1四個(gè)比級，視吃漿率的情況逐漸加濃，如需要灌注水泥砂漿，摻砂量不宜大于水泥重量的100%,注漿孔按2.0 m間距布置，灌漿孔徑為460.0 mm，孔深為2.2 m。注漿壓力由低到高緩慢逐漸增加，最大不超過0.2 MPa。

現(xiàn)狀堤防護(hù)腳為散拋石護(hù)腳，然而因長年湖水沖刷掏蝕，多處形成歸塌、空洞，破損較為嚴(yán)重。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀堤岸的整體穩(wěn)定性不能滿足要求。為了提高其整體穩(wěn)定性，預(yù)計(jì)在距離拋石護(hù)腳手臺起點(diǎn)500 mm處打入三排直徑為600 mm的旋噴樁，樁底高程-16.9 m，順堤線方向樁間距為1.2 m，垂直堤線方向樁間距為1.5 m。經(jīng)計(jì)算，旋噴樁打入后，復(fù)合地基土的等效內(nèi)聚力為25.14 kPa，等效內(nèi)除擦角為20.92°，地基土強(qiáng)度有了很大的提高，堤岸的整體穩(wěn)定性已滿足安全要求。施工過程中，旋噴樁采用雙管高壓旋噴,要求樁身28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.4 MPa，水泥采用P·O42.5級，水灰比為1.0∶1.5，每米水泥漿用量為30 kg[8]。

4.2 工程堤線選擇

本次河段長為522 m，利用現(xiàn)有堤岸線，因地制宜，堅(jiān)持以下原則，采取工程措施，銜接前后堤段的結(jié)構(gòu)；盡量少占地、少拆遷、少砍伐樹木，降低征地拆遷賠償費(fèi)用；堤岸的改造要與前后段風(fēng)格相一致；工程布置充分考慮生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求，與綠化景觀規(guī)劃相結(jié)合，力求與整體布置相協(xié)調(diào)。本次設(shè)計(jì)利用現(xiàn)有堤線，僅對局部破損位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸獭?/p>

4.3 交叉建筑物銜接設(shè)計(jì)

該段堤岸交叉建筑物主要有地鐵線及隧道。根據(jù)收集到的資料，距該兩處一定范圍內(nèi)，堤岸不允許打樁處理[9]。隧道位于該段堤岸的起始位置，為了不對其產(chǎn)生影響，選擇在距離其25 m范圍外開始打樁，即從樁號LT0+025開始打旋噴樁。地鐵線位于樁號LT0+300與LT0+400之間，根據(jù)地鐵公司提供的資料要求，預(yù)計(jì)在地鐵外結(jié)構(gòu)線10 m之外打樁，這樣不會(huì)影響到地鐵的安全運(yùn)行。

河涌兩岸采用圓弧段與新岸線順接，使其符合美觀、河道順接的條件。對于沿岸排水涵、管，由于堤岸施工時(shí)岸邊建設(shè)無法與珠江整治保持同步，因此原有排水管口尚應(yīng)保留，設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)澆混凝土箱、預(yù)制管將排水涵、管接至新堤邊。

4.4 觀測點(diǎn)設(shè)計(jì)

變形觀測包括水平和垂直位移監(jiān)測。為達(dá)到變形觀測目的，設(shè)置觀測工作基點(diǎn)2個(gè)，布置在整治范圍內(nèi)的堤頂鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上。為保證工作基點(diǎn)的可靠性，在整治范圍外的固定地點(diǎn)布置水準(zhǔn)基點(diǎn)2個(gè)。觀測工作點(diǎn)布置在二級平臺頂部，分別布置結(jié)構(gòu)變化處。并在工程起點(diǎn)處，設(shè)置水位標(biāo)尺一桿作為水位觀測點(diǎn)。

5 結(jié) 語

河道堤防與除險(xiǎn)加固工程能夠防止堤防險(xiǎn)情對人民生活造成影響，同時(shí)保證河流發(fā)揮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益；這是一項(xiàng)長期性、長效性、常態(tài)性工作，需要科學(xué)研究、合理施工。本文對珠江某河段的河道堤防與除險(xiǎn)加固工程的深入展開了一套問題現(xiàn)狀分析、穩(wěn)定性驗(yàn)算復(fù)核、重新規(guī)劃設(shè)計(jì)的研究思路，為類似的堤防加固設(shè)計(jì)研究提供了創(chuàng)新性經(jīng)驗(yàn)。

同時(shí)河道河堤工程往往承擔(dān)了城市水系生態(tài)景觀的重要功能，本文在研究中堤防景觀設(shè)計(jì)方向較少，這也是今后堤防設(shè)計(jì)中的重要研究方向。