深厚軟基河道岸坡生態(tài)治理方案研究

李逸之，孫凌凱，吳從林，柯啟龍

摘要：為解決深厚軟基河道岸坡整治中的安全性與生態(tài)性、景觀(guān)性難以兼顧的問(wèn)題，達(dá)到人水和諧的生態(tài)治河要求，以湖北省鄂州市長(zhǎng)港河旭東村段為研究對(duì)象，提出了集安全性、生態(tài)性、觀(guān)賞性于一體的“親水平臺(tái)+生態(tài)框+植生塊護(hù)坡+水生植物”護(hù)岸形式以及預(yù)應(yīng)力管樁加固地基的岸坡綜合整治方案。采用AutoBank 7.7軟件計(jì)算不同樁長(zhǎng)的軟基加固方案在不同工況條件下的河岸穩(wěn)定安全系數(shù)，并分析了樁長(zhǎng)與河岸穩(wěn)定之間的關(guān)系。結(jié)果表明：用于加固地基的管樁樁長(zhǎng)變化對(duì)于岸坡的穩(wěn)定影響較大，在樁長(zhǎng)達(dá)到臨界長(zhǎng)度之前，岸坡的安全系數(shù)逐漸增大，當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到一定程度后，安全系數(shù)不再隨樁長(zhǎng)的增加而增加。該方案治理效果良好，可為類(lèi)似工程提供一定參考。

關(guān)鍵詞：深厚軟基； 河道岸坡； 生態(tài)治理； 鄂州市

中圖法分類(lèi)號(hào)：TVl39.14文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.011

文章編號(hào)：1006-0081（2023）09-0068-06

0引言

生態(tài)文明理念已深入人心，以硬質(zhì)護(hù)岸為主的傳統(tǒng)護(hù)岸形式隔絕了水體、土體和生物之間的有機(jī)聯(lián)系，使河道生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，已不能適應(yīng)新時(shí)期的治水要求［1-3］。以往的治理思路需轉(zhuǎn)變，要在確保河道安全穩(wěn)定的前提條件下，將生態(tài)工程學(xué)原理融于河道岸坡治理中，讓河岸生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)系變得協(xié)調(diào)［4-5］，以達(dá)到恢復(fù)河岸生態(tài)環(huán)境和提升河岸景觀(guān)的目的。

對(duì)于河道岸坡深厚軟基的加固處理，通常采用水泥土攪拌樁、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁、塊石換填、拋石擠淤等處理方案［6-8］。由于預(yù)應(yīng)力管樁具有耐久性好、造價(jià)低、承載力高以及施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，在軟土地基處理中得到了廣泛應(yīng)用。目前已有大量研究證明了預(yù)應(yīng)力管樁技術(shù)的可行性：Dai等［9］對(duì)不同工況下的PC管樁進(jìn)行了承載性能的數(shù)值模擬，得到了相應(yīng)工況下管樁的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律；周小鵬等［10-11］利用ABAQUS有限元模擬了管樁沉樁的過(guò)程，驗(yàn)證了管樁在固結(jié)效率方面優(yōu)于普通樁。黃勇等［12］通過(guò)模型試驗(yàn)，探究了透水管樁樁周土超靜孔壓隨時(shí)間、空間的變化規(guī)律。吳燕開(kāi)等［13］結(jié)合實(shí)際工程對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁加固軟土地基的效果進(jìn)行驗(yàn)證和分析，證明該方法適用于工期緊、軟基深厚的地基；謝新宇等［14］結(jié)合某工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和施工過(guò)程樁土應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了該類(lèi)復(fù)合地基樁、土應(yīng)力和孔壓力的發(fā)展規(guī)律。然而，上述對(duì)預(yù)制管樁的研究中并未提及管樁在河道岸坡深厚軟土地基加固中的應(yīng)用及研究。

本文以湖北省鄂州市長(zhǎng)港河旭東村段河道岸坡整治為例，通過(guò)比選提出了采用預(yù)應(yīng)力管樁加固深厚軟土地基以及采用“親水平臺(tái)+生態(tài)框+植生塊+水生植物”的岸坡生態(tài)治理形式，并對(duì)預(yù)應(yīng)力樁河道岸坡軟基加固方案進(jìn)行研究，通過(guò)計(jì)算不同樁長(zhǎng)在不同工況下的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)來(lái)確定設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)。

1工程概況

1.1工程簡(jiǎn)介

長(zhǎng)港河位于湖北省鄂州市中部，是梁子湖湖水排入長(zhǎng)江的唯一通道。梁子湖湖水經(jīng)東溝鎮(zhèn)磨刀磯節(jié)制閘進(jìn)入長(zhǎng)港河，途中流經(jīng)梁子鎮(zhèn)、東溝鎮(zhèn)、長(zhǎng)港鎮(zhèn)、杜山鎮(zhèn)、鄂州經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，過(guò)樊口大閘或樊口泵站至洲尾入長(zhǎng)江，自南向北橫穿鄂州市，干流全長(zhǎng)46.5 km。

長(zhǎng)港河旭東村河段（左岸K15+260～K14+700，長(zhǎng)560 m），沿岸居民集中，河岸為土質(zhì)邊坡，坡面雜亂，生態(tài)景觀(guān)面貌差，且岸坡較陡，部分岸段已出現(xiàn)坍塌跡象，危及沿岸道路、房屋安全，亟待加固治理。經(jīng)相關(guān)部門(mén)安排，該段河道內(nèi)整治于2019年納入“鄂州市長(zhǎng)港河系統(tǒng)治理工程”實(shí)施中。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。長(zhǎng)港河旭東村河段現(xiàn)狀照片見(jiàn)圖1。

1.2工程地質(zhì)

長(zhǎng)港河旭東村河段河寬約70～80 m，現(xiàn)狀岸坡形態(tài)不規(guī)整，坡高11.0～13.0 m?？碧浇沂驹摱魏拥腊镀轮饕植加腥劳?、淤泥質(zhì)土、黏土、黏性土等4個(gè)土層，各層簡(jiǎn)要描述如下。

（1） 壤土（Q4al+l）：灰褐色，含有機(jī)質(zhì)，呈可塑狀，黏性較好，層厚1.5～5.9 m。

（2） 淤泥質(zhì)土（Q4al+l）：青灰、軟-可塑狀，黏性較強(qiáng)，層厚0～2.5 m。

（3） 黏土（Q4al+l）：灰褐色，可塑，黏性強(qiáng)，層厚2.80～7.50 m。

（4） 黏性土（Q2al）：黃褐色，飽和，黏性強(qiáng)，層厚7.3 m以上。

樁號(hào)K15+000處地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖2，各土層參數(shù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)建議值見(jiàn)表1。

2河道岸坡生態(tài)整治方案設(shè)計(jì)

根據(jù)長(zhǎng)港河旭東村段河道岸坡現(xiàn)狀地形及地質(zhì)情況，可將該段河道岸坡生態(tài)整治方案設(shè)計(jì)分為護(hù)岸工程設(shè)計(jì)以及坡腳以下軟土地基加固處理工程設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

2.1護(hù)岸工程方案設(shè)計(jì)

根據(jù)旭東村段河道岸坡地形地質(zhì)情況，運(yùn)用生態(tài)治理理念，并結(jié)合民眾親水休閑需求，初步選定3種護(hù)岸設(shè)計(jì)方案，分別為“親水平臺(tái)+生態(tài)框+植生塊護(hù)坡+水生植物”形式、“親水平臺(tái)+仰斜式混凝土擋墻+植生塊護(hù)坡+水生植物”形式以及“親水平臺(tái)+格賓石籠擋墻+植生塊護(hù)坡+水生植物”形式。3種護(hù)岸形式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述如下。

（1） 方案一：“親水平臺(tái)+生態(tài)框+植生塊護(hù)坡+水生植物”形式。在現(xiàn)狀河灘處設(shè)置親水平臺(tái)，高程取常水位以上0.3 m，親水平臺(tái)凈寬2.0 m，親水平臺(tái)外側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土腳槽，腳槽上設(shè)欄桿；親水平臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)5級(jí)生態(tài)框，呈階梯式布置，總高2.5 m，生態(tài)框內(nèi)鋪設(shè)種植土，并種植濕生植物；墻底設(shè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)，墻背回填級(jí)配碎石，并沿墻背鋪設(shè)土工布。

生態(tài)框頂與坡頂間采用植生塊護(hù)坡，結(jié)合現(xiàn)狀地形確定坡比?？亢觽?cè)在常水位以下0.5 m范圍內(nèi)種植水生植物，岸頂種植喬灌木，以改善沿河生態(tài)面貌?！坝H水平臺(tái)+生態(tài)框+植生塊護(hù)坡+水生植物”形式典型設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖3。

（2） 方案二：“親水平臺(tái)+仰斜式混凝土擋墻+植生塊護(hù)坡+水生植物”形式。親水平臺(tái)、植生塊護(hù)坡、水生植物布置同方案一。坡腳以上設(shè)仰斜式混凝土擋墻，總高3.0 m，墻頂與坡頂間采用植生塊護(hù)坡，結(jié)合現(xiàn)狀地形確定坡比。

（3） 方案三：“親水平臺(tái)+格賓石籠擋墻+植生塊護(hù)坡+水生植物”形式。親水平臺(tái)、植生塊護(hù)坡、水生植物布置同方案一。坡腳以上設(shè)格賓石籠擋墻，總高3 m，墻頂與坡頂間采用草皮護(hù)坡，結(jié)合現(xiàn)狀地形確定坡比。

3種方案均具有可實(shí)施性。方案二中仰斜式混凝土擋墻強(qiáng)度大，但存在透水性差、對(duì)地基變形適應(yīng)能力低、生態(tài)景觀(guān)效果差等缺點(diǎn)；方案三中的格賓石籠生態(tài)效果良好，但對(duì)填筑塊石粒徑要求高、施工工藝要求嚴(yán)格，施工成本較高；方案一中生態(tài)框施工簡(jiǎn)便、對(duì)地基變形適應(yīng)性好，生態(tài)景觀(guān)效果較好。

工程推薦采用方案一，即“親水平臺(tái)+生態(tài)框+植生塊護(hù)坡+水生植物”的治理形式。該方案中親水平臺(tái)采用透水鋪裝，岸坡采用高孔隙率生態(tài)框護(hù)砌，可供植物生長(zhǎng)以及魚(yú)類(lèi)棲息、繁衍，在保證岸坡穩(wěn)定的同時(shí)也使水體、土體和生物之間保持有機(jī)聯(lián)系。此外，在岸頂種植喬灌木、沿親水平臺(tái)外側(cè)淺水區(qū)域種植水生植物，把潛水區(qū)域水生植物、濱水區(qū)濕生植物、岸坡植被以及岸頂喬灌木連成一體，構(gòu)成一個(gè)水陸復(fù)合型生物共生的生態(tài)系統(tǒng)。

2.2軟土地基處理方案設(shè)計(jì)

2.2.1地基處理方案比選

長(zhǎng)港河旭東村段河道岸坡地層存在淤泥質(zhì)土層，層厚約6 m［15］，為確保岸坡穩(wěn)定，需對(duì)該段岸坡進(jìn)行地基處理。河岸軟土地基加固通常采用的方案有水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“預(yù)應(yīng)力管樁”）、拋石擠淤等［6-8］。結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)上述處理方案進(jìn)行綜合比選，詳見(jiàn)表2。

綜上所述，與水泥攪拌樁和拋石擠淤方案相比，預(yù)應(yīng)力管樁投資適中，施工方便、施工效率高，可大幅提高軟基強(qiáng)度，并具有較好的生態(tài)性，更適用于本工程的地基加固，故推薦采用預(yù)應(yīng)力管樁加固方案。

2.2.2預(yù)應(yīng)力管樁地基處理方案設(shè)計(jì)

2.2.2.1總體布置

結(jié)合相關(guān)工程運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，擬在親水平臺(tái)下布置5排預(yù)應(yīng)力管樁，單樁直徑0.3 m，樁中心間距1.2 m，梅花型布置，樁體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為45 MPa。樁長(zhǎng)需根據(jù)岸坡穩(wěn)定計(jì)算成果進(jìn)一步確定。預(yù)應(yīng)力管樁布置斷面見(jiàn)圖4。

2.2.2.2預(yù)應(yīng)力管樁長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，河道岸坡穩(wěn)定計(jì)算分析可采用簡(jiǎn)化畢肖普法。結(jié)合河道水文資料，計(jì)算工況選取如下：

（1） 工況1（設(shè)計(jì)洪水位下的穩(wěn)定滲流期）：設(shè)計(jì)洪水位16.53 m，岸坡地下水位14.30 m。

（2） 工況2（設(shè)計(jì)洪水驟降期）：48 h內(nèi)從設(shè)計(jì)洪水位16.35 m驟降至14.35 m。

（3） 工況3（完建期）：迎水面無(wú)水，岸坡地下水位14.10 m。

本計(jì)算采用AutoBank 7.7軟件的有限元分析模塊對(duì)旭東村樁號(hào)K15+000處岸坡進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算，計(jì)算出采用不同長(zhǎng)度的預(yù)應(yīng)力管樁在不同工況下的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)，為確定預(yù)應(yīng)力管樁長(zhǎng)度提供依據(jù)［15-18］。岸坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表3，安全系數(shù)與單樁長(zhǎng)的關(guān)系見(jiàn)圖5。

預(yù)應(yīng)力管樁加固岸坡后潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置及形狀見(jiàn)圖6～7。

從計(jì)算成果可知：① 滿(mǎn)足本工程安全所需的樁長(zhǎng)至少為5 m（取整數(shù)），此時(shí)工況一、二、三的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)F分別為1.57，1.47，1.69，均滿(mǎn)足規(guī)范要求；② 當(dāng)樁長(zhǎng)為3～8 m時(shí)，3種工況下岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)均隨樁長(zhǎng)增加而增加，且3～6 m時(shí)安全系數(shù)的增加與樁長(zhǎng)基本呈線(xiàn)性關(guān)系；③ 當(dāng)樁長(zhǎng)為3～8 m時(shí)，3種工況的岸坡潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面均從預(yù)應(yīng)力管樁底部穿過(guò)，說(shuō)明樁與周邊土體形成了較為牢固的復(fù)合地基，在復(fù)合地基內(nèi)發(fā)生滑動(dòng)破壞的可能性低；④ 當(dāng)樁長(zhǎng)≥9 m時(shí)，3種工況下岸坡潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面均從樁頂部穿過(guò)，安全系數(shù)不再隨樁長(zhǎng)增加而增加。

3結(jié)論

（1） 通過(guò)對(duì)多種治理方案進(jìn)行比選，提出了集安全性、生態(tài)性、觀(guān)賞性于一體的岸坡綜合整治方案，即采用“親水平臺(tái)+生態(tài)框+植生塊護(hù)坡+水生植物”護(hù)岸形式以及預(yù)應(yīng)力管樁地基處理方案。該方案在保證河岸穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，改善了河道生態(tài)系統(tǒng)，并提升了河岸景觀(guān)，治理效果較好，可為類(lèi)似工程提供參考。

（2） 通過(guò)計(jì)算不同樁長(zhǎng)的地基加固方案對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響可知：樁長(zhǎng)的變化對(duì)于岸坡穩(wěn)定影響較大，在樁長(zhǎng)達(dá)到臨界長(zhǎng)度之前，岸坡的安全系數(shù)與樁長(zhǎng)基本呈線(xiàn)性關(guān)系；隨著樁長(zhǎng)的增長(zhǎng)，潛在滑動(dòng)面隨著樁底端逐漸向岸坡內(nèi)部移動(dòng)，破壞模式由淺層滑動(dòng)逐漸變?yōu)樯顚踊瑒?dòng)，安全系數(shù)也逐漸增大；當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到一定程度后，岸坡的潛在滑動(dòng)面轉(zhuǎn)移到樁頂以上，安全系數(shù)不再隨樁長(zhǎng)的增加而增加。

參考文獻(xiàn)：

［1］王壽兵，李百煉.中國(guó)中小河道生態(tài)治理與修復(fù)策略［J］．水資源保護(hù)，2018，34（4）：12-15.

［2］董哲仁．河流生態(tài)修復(fù)［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2013．

［3］董哲仁，孫東亞，彭靜.河流生態(tài)修復(fù)理論技術(shù)及其應(yīng)用［J］．水利水電技術(shù)，2009，40（1）：4-9，28．

［4］RADSPINNER R R，DIPLAS P，LIGHTBODY F，et al．River training and ecological enhancement potential using in-stream structures［J］.Joumal of Hydraulic Engineering，2010，136（12） ：967-980．

［5］武亞南，周連兄，李丹雄．城鄉(xiāng)河道生態(tài)治理與景觀(guān)修復(fù)——以河北省灤平縣牤牛河為例［J］．中國(guó)水土保持，2021，470（5）：17-20.

［6］黃東海．拋石擠淤技術(shù)在軟土地基圍堤工程中的應(yīng)用［J］．水運(yùn)工程，2012，473（12）：126-129，143.

［7］姚佳凱，王琛.拋石擠淤和塊石換填相結(jié)合在河道基礎(chǔ)處理中的實(shí)踐應(yīng)用［J］．鄉(xiāng)村科技，2014（12）：287-289.

［8］馬海龍．水泥土攪拌樁復(fù)合地基荷載傳遞及變形的原位實(shí)驗(yàn)研究［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2006，39（9）：103-107.

［9］DAI Z X，ZHANG A，MEI G X.Finite Element Analysis of the experiment of PC Pipe Pile with holes carrying capacity［J］.Applied Mechanics & Materials，2014，578/579：53-59.

［10］周小鵬，梅國(guó)雄.透水樁技術(shù)及樁周土體固結(jié)效率有限元分析［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，36（3）：101-105.

［11］周小鵬，梅國(guó)雄.考慮固結(jié)的透水管樁沉樁全過(guò)程有限元模擬［J］.巖土力學(xué)，2014，35（增2）：676-682.

［12］黃勇，王軍，梅國(guó)雄.透水管樁加速超靜孔壓消散的單樁模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2016，37（10） ：2893-2898，2908.

［13］吳燕開(kāi)，方磊，李新偉，等.預(yù)應(yīng)力管樁聯(lián)合塑料排水板加固軟土地基技術(shù)探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006（增2）：3572-3576.

［14］謝新宇，陳洪波，夏建中，等.預(yù)制管樁-攪拌樁組合加固深厚軟基性狀分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007（4）：123-127.

［15］謝輝，喻可忠．長(zhǎng)江干堤護(hù)岸工程施工影響岸坡穩(wěn)定因素分析［J］．人民長(zhǎng)江，2006，37（9）：93-94，101．

［16］汪紅英，陳正兵．三峽工程運(yùn)用后上荊江典型河段岸坡穩(wěn)定性分析［J］．人民長(zhǎng)江，2015，46（23）：6-9．

［17］馬崇武，劉忠玉，苗天德，等．江河水位升降對(duì)堤岸變坡穩(wěn)定性的影響［J］．蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，36（3）：56-60．

［18］況娟娟．水泥攪拌樁處理水閘軟基的應(yīng)用分析［J］．人民長(zhǎng)江，2013，44（15）：40-43.

（編輯：李晗）

Exploration of ecological treatment scheme for deep and soft river bank slope：a case of Xudong Village Section of Ezhou Changgang River

LI Yizhi1，SUN Lingkai1，WU Conglin1 ，KE Qilong2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.Hubei Provincial Administration Bureau of River Diversion Project，Wuhan 430010，China）

Abstract： In order to solve the problem that it is difficult to balance safety with ecology and landscape in the remediation of deep soft-based river slopes，and to achieve the ecological river management requirement of human-water harmony，the Xudong Village section of Changgang River in Ezhou City was taken as the researcharea and the pre-stressed pile and hydrophilic platform + ecological frame + vegetation block slope protection + aquatic plants shoreline comprehensive remediation program was proposed，which integrated safety，ecology and ornamental features.The safety coefficients of riverbank stability for soft foundation strengthening schemes with different pile lengths under different working conditions were calculated by using the AutoBank 7.7 software，and the relationship between pile length and riverbank stability was analyzed.The results showed that the variation of the pipe pile length that used to strengthen the foundation had a greater influence on the stability of the bank slope，and the safety factor of the bank slope gradually increased until the pile length reached the critical length；when the pile length reached a certain degree，the safety factor no longer increased with the increase of the pile length.The method is effective and can serve as a reference for similar projects.

Key words： soft foundation； river bank slope； ecological management； Ezhou City