新老堤防結(jié)合面加固措施探究——以南京長江干堤防洪能力提升工程為例

李 昂 花劍嵐 盧發(fā)周

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210022）

面對大江大河，堤防建設(shè)尤為重要，它為保衛(wèi)我們的家園發(fā)揮了巨大的作用。但是目前多處堤防出現(xiàn)防洪能力亟待提高的局面，相對于堤防重建，堤防加寬是一種更加省時省力且效果良好的方式。筆者在防洪能力提升工程中的新老堤防結(jié)合面的研究中有一定經(jīng)驗，參與了一些實際工程的設(shè)計，愿與各位行業(yè)工作者探討。

1 研究意義

江河干堤是防洪的重要基礎(chǔ)工程設(shè)施。如南京長江干堤對南京市防洪安全具有舉足輕重的作用，工程在抗御 1998、1999年大水中發(fā)揮了巨大的作用。但是2010年長江出現(xiàn)自1999年以來最高的超警戒的9.32m洪水位，江堤出現(xiàn)多處險情，暴露出南京長江干堤防洪能力仍然偏低的問題。

目前，江堤普遍存在堤身斷面不足、防滲能力較差、堤線曲折不順、防汛道路不暢等問題，近70%的地方堤防斷面不達標(biāo)，地方防洪能力與上下游省市相比差距明顯。

長江中下游地區(qū)是我國人口密集、經(jīng)濟相對發(fā)達的重要地區(qū)，堤防安全控制顯得尤為重要。在南京長江干堤提升工程中，新老堤防結(jié)合加固技術(shù)既符合南京長江干堤工程實際建設(shè)需要，又對后續(xù)同類工程實際研究、設(shè)計、施工具有重要的指導(dǎo)意義。

2 措施研究的先期借鑒性

堤防加寬在國內(nèi)雖然有過一些工程經(jīng)驗，但是實例較少，而且缺乏理論分析和系統(tǒng)化的加固措施和計算方法。堤防結(jié)合面的處理和高速公路加寬中路基結(jié)合面的處理加固有很大程度的相似性，而高速公路加寬中新老路基結(jié)合面的處理技術(shù)已經(jīng)比較成熟。所以先期研究中，筆者決定從高速公路加寬入手，查閱國內(nèi)外公路加寬的文獻和實例，進行系統(tǒng)的總結(jié)，然后類比出堤防結(jié)合面破壞機理、破壞形式，堤防結(jié)合面的加固措施，后期再通過數(shù)值分析模擬進行驗證。但是，公路加寬相對于堤防加寬畢竟是相關(guān)性的，而不是直接的。在閱讀高速加寬文獻尋找借鑒性的同時也要注重本身堤防加寬的特點和兩者之間的區(qū)別對待。

3 結(jié)合面處理難點分析

堤防工程的加寬必然會遇到新老堤防的相互影響問題。由于老堤防結(jié)合部存在填筑施工時間的差異，導(dǎo)致地基固結(jié)度和堤防壓縮程度不同而產(chǎn)生新老堤防的不均勻沉降，使結(jié)合部出現(xiàn)裂縫、破損、高差、引起滲漏等現(xiàn)象，影響堤防穩(wěn)定安全并造成堤防路面水平的降低。而軟土地基上新老堤防的拼接還可能引起堤防的失穩(wěn)和滑坡。所以結(jié)合面的處理就是要減緩新老堤防的沉降差異，使兩者之間銜接的更加緊密，加強整體性和穩(wěn)定性。

國內(nèi)外雖然有不少工程實踐，但大多倚重于工程經(jīng)驗，缺少科學(xué)的總結(jié)和方法，對新老堤防結(jié)合部的問題仍需要深入研究，進而提出系統(tǒng)的設(shè)計方案和施工工藝。

4 采用的加固措施

研究了新老堤防的難點處理，筆者結(jié)合一些實際堤防加寬工程的實例，并參考和借鑒高速公路結(jié)合面處理較為成熟的技術(shù)，同時考慮到工程實際應(yīng)用性、經(jīng)濟效益等綜合因素，對于長江干堤江寧段確定了如下的加寬方案。

4.1 削坡、開挖臺階

開挖臺階是規(guī)范要求，不算是創(chuàng)新點，但是有效的方法之一。開挖臺階能夠增加新老堤防的接觸面，起到加強穩(wěn)定性的效果。開挖面坡比暫定為1:2，視高差情況可適當(dāng)?shù)姆啪徎蚴湛s。然后在斜面上開挖臺階，一般臺階的數(shù)目是越多越好，臺階的寬度不小于 100cm，底部的臺階寬度可適當(dāng)接著放寬。

考慮到開挖臺階的方式較多，對于南京長江干堤江寧段和棲霞段兩處，結(jié)合已有的工程經(jīng)驗參考，對于這兩段，先暫定為三種方案，后期通過數(shù)值模擬計算確定最佳方案。

（1）自下而上開挖 100cm:150cm（高:寬）的臺階。

（2）自老堤防坡腳處自下而上開挖 70～80cm:150cm 的臺階。

（3）底部放寬，開挖三層 100cm:250cm的臺階，三層往上視老堤防情況適當(dāng)縮小，可以開挖80cm:150cm的臺階直至坡頂，自下而上。

4.2 鋪設(shè)土工格柵

土工格柵質(zhì)量小、抗拉強度高、耐久性強，與土顆粒之間的摩擦系數(shù)大。在新堤防中鋪設(shè)土工格柵，可明顯減小上覆荷載向堤防內(nèi)部的擴散和傳遞，并使堤防內(nèi)受力均勻，有效改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，研究表明新堤防中鋪設(shè)土工格柵可顯著減少堤防頂面的不均勻沉降，且土工格柵埋設(shè)位置越往上，所起的加筋效果越明顯。

土工格柵在加寬擴建工程中已得以廣泛運用。但通過我國部分高速公路和堤防、堤壩加寬擴建工程來看，對于土工格柵的鋪設(shè)方式，包括鋪設(shè)位置和鋪設(shè)層數(shù)等，影響變化很大。工程中不能隨意鋪設(shè)。

土工格柵的鋪設(shè)一般自新堤防的邊坡處鋪設(shè)直至老堤防內(nèi)部，理論上在老堤防內(nèi)部鋪設(shè)土工格柵的深度越深，則新老堤防的差異沉降越小。但是根據(jù)數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的研究情況來看，這也有極限值，再深的話效果也不是特別明顯。鋪設(shè)時注意分層鋪設(shè)土工格柵，幅與幅之間最好錯縫。而土工格柵的強度可根據(jù)模擬的最佳強度來確定。

對于南京長江干堤工程中，結(jié)合一些理論研究和工程實踐的參考，筆者將自新堤防邊坡處鋪設(shè)土工格柵直至老堤防內(nèi)部4m：

①在臺階上鋪設(shè)，每層均鋪設(shè)土工格柵；②隔層鋪設(shè)，自下而上，1、3、5……層鋪設(shè)；③隔層鋪設(shè)，自下而上，2、4、6……層鋪設(shè)；④因為堤防下部的應(yīng)力較大，可在底部1層2層（也可增至3層）全部鋪設(shè)，往上隔層鋪設(shè)。（下密上疏的布置形式）

4.3 開挖臺階+土工格柵

（1）每層鋪設(shè)可在 100cm:150cm的臺階上實施。

（2）隔層鋪設(shè)可在70～80cm:150cm 的臺階上實施。

（3）鋪設(shè)土工格柵方式④可在開挖臺階方式②③上實施。

上述結(jié)合面處理措施是南京干堤江寧段的采用方案。而堤防加寬工程結(jié)合面處理本身的處理措施是多種多樣的，比如鋪設(shè)土工布，使用EPS新材料來填筑等。具體措施的施用要視工程情況而定。

5 計算方法的選擇

數(shù)值模擬是一種行之有效的方法，在新老堤防結(jié)合面的研究工作中可以作為先期理論依據(jù)。

在堤防加寬工程中，首先我們需要知道新老堤防的沉降差異。

（1）在與不處理結(jié)合面情況下的沉降差異。

（2）不同方式處理結(jié)合面之后的沉降差異。

（3）不同差異沉降之間的對比。

其次還要結(jié)合各堤防段的具體情況有針對性的模擬研究，如南京長江干堤江寧段就有兩種加寬情況，分別是引水坡加寬，背水坡加寬。

再次各堤段土質(zhì)參數(shù)也各有不同，有的淤泥層較厚，有的土質(zhì)較好。

最后還要考慮各種措施的因地制宜，選取合適 的措施對結(jié)合面進行加固很重要。

圖1 迎水坡培土加固方案

圖2 背水坡培土加固方案

總而言之，鑒于工程情況復(fù)雜多變，先期的數(shù)值計算是一種必要手段，可以得出新老堤防在各種不同情況下大致受力、變形、沉降情況。在后期工作中能夠有針對性的修改方案，亦可對許多情況有大致的預(yù)判。

江寧段長江干堤新老堤防結(jié)合面的措施計算分析，筆者采用的是巖土工程領(lǐng)域大型有限元計算軟件 plaxis來進行數(shù)值模擬。經(jīng)過計算分析，得出開挖措施(3)和格柵措施④相結(jié)合的方式效果較好，但考慮到經(jīng)濟效益和施工量，并且?guī)追N選擇之間的結(jié)果差異相對于整個堤防均是可接受的，也可以選擇開挖措施(2)和格柵措施④相結(jié)合的方式。

6 后續(xù)研究工作開展

6.1 開展現(xiàn)場試驗的施工工藝研究

在有限元計算中，由于土體本構(gòu)模型的近似性及自身性質(zhì)的離散，故只能對相關(guān)因素進行規(guī)律性的分析，尚需借助現(xiàn)場測試等手段予以對比研究。

新老堤防結(jié)合面處理的施工工藝需要注意的點很多，江寧段的試驗開展的主要內(nèi)容如下。

（1）合理的施工流程。

（2）格柵與格柵之間的搭接長度的控制。

（3）不同開挖方案之間的對比。

（4）合理的填料碾壓工藝等。這些都是后續(xù)研究工作中的重點。

6.2 結(jié)合其他措施

對新老堤防結(jié)合面的處理的主要目的是為了增強新老堤防的連接和整體性，減少沉降差異。為了達到減少沉降差異的目的，單一的結(jié)合面處理是不夠的，還需要結(jié)合其他措施來共同作用。江寧段的堤防加寬工程是在軟土地基上施工的，首先要做的就是江堤的軟土地基處理，如豎向塑料排水板與砂礫換填聯(lián)合處理；還可在新堤建造時打入粉噴樁進行加固；此外在新堤填筑時要注意壓實度的控制。

7 結(jié) 語

新老堤防結(jié)合面的銜接處理技術(shù)是長江干堤防洪能力提升工程中一項重要的內(nèi)容，它能夠提高堤防整體的穩(wěn)定性，加強新老堤之間的連接作用，有效的減少新老堤的沉降差異。對于上述處理措施和后續(xù)研究有的已通過實際工程檢驗，有的還需要在具體工程情況之上經(jīng)過修改和重新設(shè)計，但這些都有很重要的參考意義。通過對這一技術(shù)的研究，可以有效加強南京段的江堤安全控制，其研究方法和內(nèi)容也可以在后續(xù)的工程中推廣應(yīng)用。

[1] GB50286-98,堤防工程設(shè)計規(guī)范[S]

[2] GB50201-94,防洪標(biāo)準(zhǔn)[S]

[3] SL260-98,堤防工程施工規(guī)范[S]

[4] 呂鵬等.軟基上堤壩加寬工程性能有限元分析[C].2006

[5] 張鎮(zhèn).高速公路填挖結(jié)會部處治技術(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2006

[6] 劉春等.土工格柵在治理軟土路基沉降問題中的研究[J].巖土力學(xué), 2003, 24(6):1070- 1073