水力沖填法在淮河干流城西湖蓄洪大堤加固設計中的應用

張功義（安徽省六安市水利水電規劃設計院 六安 237000）

水力沖填法在淮河干流城西湖蓄洪大堤加固設計中的應用

張功義
（安徽省六安市水利水電規劃設計院 六安 237000）

本文介紹了水力沖填法在淮河干流城西湖蓄洪大堤加固設計中的應用，提出并總結了應用中的一些關鍵問題。對新建的堤防或大壩，應認真查明原狀地基情況，首先做好地基處理。水力沖填壩（堤防）的沖填的期數及每期沖填的進度，應根據沖填土料情況、壩高及施工工期要求，綜合分析確定。根據水力沖填的距離，堤防填筑總土方量、土料情況及施工工期，合理選擇沖填設備，以節約投資。

水力沖填法 城西湖蓄洪大堤 滲流 抗滑穩定

1 引言

淮河干流城西湖蓄洪大堤加固工程系國務院治淮19項骨干工程之一，南灘大灣段位于淮河干流城西湖蓄洪大堤中段，為一“U”型彎堤，彎堤長1050m，由于該段彎堤汛期險情多，在城西湖蓄洪大堤加固設計中將該段彎堤裁彎取直，并采用鉸吸式吸泥船將淮河河床泥沙吸入泥漿泵，經壓力輸泥管輸送到壩址處，即水力沖填法筑堤，同時對彎道內約8萬m2區域沖填成莊臺，既解決了大堤加固中土料不足及大堤加固中拆遷人員的安置問題，又少占用耕地約400畝，同時降低了工程投資，具有較大的經濟效益和社會效益。本文就水力沖填法在淮河干流南灘大灣段筑堤及新建莊臺設計作簡要介紹，供讀者參考。

2 工程概況

淮河干流城西湖蓄洪大堤位于安徽省霍邱縣的西北部，全長23.28km，大堤迎水側為淮河，背水側為城西湖，城西湖是淮河中游最大的蓄洪區，湖內人口約17萬人，耕地面積40.7萬畝，設計蓄洪面積517km2，設計蓄洪量28.8億m3，是確保淮北大堤和沿淮工礦城市圈堤安全的關鍵性蓄洪工程，但由于城西湖蓄洪大堤堤身較高，土質較差，堤基中有較強的透水砂層與淮河連通，汛期淮河高水位時，堤坡散浸滲漏，堤腳內地面翻砂鼓水等險情不斷，因此實施加固工程是十分必要的，也是國家治淮19項骨干工程之一。南灘大灣段位于城西湖蓄洪大堤中段，為“U”形彎堤，彎堤長1050m，系1954年淮河流域發生特大洪水時炸堤進洪時形成的巨大沖坑，沖坑深度在10 m以上，汛后復堤在沖坑下游筑一彎堤后而形成南灘大彎。目前沖坑逐年淤積，平均高程在21.00m左右，該處設計洪水位27.53m，設計堤頂高程29.53m，由于南灘大彎彎堤較長，且呈三向滲流狀態，汛期險情多，大堤加固工程設計將彎堤裁彎取直，取直堤線長400m，根據地質勘測資料，取直堤軸線壩基基本分為兩層，高程9.00m以上為淤泥質砂壤土，厚度約11m，抗剪強度C=1～4kPa，Ф=3.3°～6°，堤基強度很低。高程9.00m以下為原狀粉質粘土，強度很高。由于筑堤土方量較大，如采取常規的取土筑堤方式，一是附近土源不足，二是挖壓占地太多。最終采用了鉸吸式吸泥船將淮河河道內泥沙吸入泥漿泵，經壓力輸泥管輸送到壩址處，即水力沖填法進行筑堤，并對堤基進行處理，同時對彎道內約8萬m2區域沖填成莊臺。既解決了大堤加固中土料不足及大堤加固中拆遷人員的安置問題，又少占用耕地約400畝，同時降低了工程投資，具有較大的經濟效益和社會效益。

3 水力沖填法堤防設計要點

3.1 地基處理方案

初擬壩型為沖填式砂壩，由于堤基強度太低，應首先對基礎進行處理，考慮了三種處理方案：一是換砂，計算換砂深度和方量；二是分期沖填加荷預壓，提高地基的抗剪強度和承載力；三是先沖填加荷預壓，再用粉噴樁加固，提高地基的綜合強度。

第一步，基礎暫不處理，經瑞典圓弧法計算三種邊坡抗滑穩定均不滿足要求，只是堤防坡度變緩安全系數稍有增加；第二步，分別按地基換砂2m和4m厚度，經計算其安全系數仍不滿足要求，且換填方量分別為7.5萬m3和15萬m3，工程量較大，此方案也不可行；第三步分期沖填加荷預壓方案，即采用分期沖填的方法，靠壩體自身排水預壓固結。共分三期沖填，當年汛后進行第一次沖填，第二年汛后隨即取樣進行土工試驗，如達到預期效果，即進行第二次沖填，一年后再取樣進行土工試驗，如達到預期效果，即進行第三次沖填。如現場取樣土工試驗未達到抗滑穩定計算中假定的抗剪強度參數C、Ф取值，適當延長沖填間隔時間，并根據現場取樣的土工試驗值，重新復核穩定計算。具體沖填步驟為第一期從21.00m沖填至24.00m，抗剪強度參數取原狀地基土工試驗資料提供的值。第二期沖填至26.53m，原狀地基土工試驗資料提供的C值為1kPa，計算中考慮預壓后取C=2kPa，其升值量主要考慮預壓之后的預期值，并有待實施中根據實際跟蹤檢測進行復核。第三期沖填至29.53m，原狀地基土工試驗資料提供的C值為1kPa，計算中考慮預壓后取C=2kPa；以上經過三次沖填后預壓，經抗滑穩定計算滿足要求，但是施工期太長，且堤防邊坡需達到1∶7以上，為工程安全著想，地基處理方案最終采用先沖填加荷預壓，再用粉噴樁加固的方案。經一年的預壓固結，地基條件將有所改善，再用粉噴樁加固，兩種措施共同作用，可確保地基處理達到預想的狀況。具體方案為第一期沖填至24.00m，第二年汛后實施粉噴樁，并對邊坡進行優化設計，在沖填堤防的同時對彎內8萬m2區域進行沖填，高程為27.40m（高于城西湖蓄洪水位1m），作為莊臺供拆遷安置使用，節約耕地400多畝。南灘大彎堤防最終設計斷面如圖1。

圖1 采用沖填加荷預壓及粉噴樁共同加固地基后南灘大彎設計斷面圖

3.2 粉噴樁設計

根據該工程具體情況，樁頂高程取24.00m，樁底伸入原狀粉質粘土以下1m，樁徑50cm，為節約投資，樁體采用兩種規格，荷載較大的中間部位采用灰土比15%（每米噴灰量約56kg），抗壓強度約1300kPa，其他的采用灰土比12%（每米噴灰量約45kg），抗壓強度約1000kPa。

3.2.1 樁自身強度計算

樁截面積為0.196m2；

灰土比12%，單樁可承受荷載為1000×0.196=196kN；

灰土比15%，單樁可承受荷載為1300×0.196=254.8kN。

3.2.2 樁頂荷載計算

按復合地基受力機理，原地基地層和樁體分別承擔一部分上部荷載，根據勘測資料，原地基承載力約80kPa，最大荷載位于堤頂部位，填土高為8.53m，濕土重取19kN/m3，樁距及排距均取1.75m，則每個樁承擔（8.53×19-80）× 1.752=251.3kN＜254.8kN，因此選用的樁距及排距、灰土比15%均滿足要求。同理，壩坡平臺部位，高程26.53m，樁距及排距均取3m，灰土比12%也滿足要求。經計算高程24.00m平臺以下無需設樁。

3.3 沖填壩設計

3.3.1 抗滑穩定復核計算因地基處理方案最終采用沖填加荷預壓加粉噴樁，因此需對壩體進行抗滑穩定復核，仍采用瑞典圓弧法計算。第一期沖填至24.00m，抗剪強度參數C、Ф取原地基狀態土工試驗資料值；設樁后壩體沖填至壩頂高程，高程21.00m以下軟土層C值采用設樁后綜合值，取C=10.5kPa，21.00m高程以上C值采用預壓后現場取樣的土工試驗資料值，經計算在正常運用及非常運用工況條件下，第一期沖填完成、全部沖填完成及建成后設計洪水位三種情況，抗滑安全系數全部大于規范規定的值。3.3.2壩體沉降計算

粉噴樁設樁必須在壩體第一期沖填至24.00m高程以后進行的，故先計算高程24.00m以下的壓縮沉降，計算結果，沉降量為0.455m。設樁后壩體的重量由樁承擔了19× 8.53-80=82kPa，占壩體總重量的82/（19×8.53）=50.6%，計算結果壩總沉降量為0.459m，此值與高程24.00m以下的壓縮沉降量基本接近，說明采用粉噴樁復合地基后，壩身由高程24.00m，沖填至壩頂29.53m不再發生明顯沉降。并按規范規定，進行滲流穩定計算。

4 結語

以上簡要介紹了水力沖填法在淮河干流城西湖蓄洪大堤南灘段筑堤設計中具體應用情況，供讀者在具體工作中參考，實際工作中應重點把握以下幾點：

（1）對新建的堤防或大壩，應認真查明原狀地基情況，首先做好地基處理。沖填預壓固結對處理軟弱地基是一種常用的辦法，但要求預壓固結時間長，施工工期相對較長，實際工作中，應結合其他地基處理措施共同發揮作用，如粉噴樁、換填法、擠密砂樁等，以達到安全可靠的效果。

（2）水力沖填壩（堤防）的沖填期數及每期沖填的進度，應根據沖填土料情況、壩高及施工工期要求，綜合分析確定；沖填壩（堤防）設計與土壩及堤防的設計是一樣的，只是首先要合理選定沖填的土源、沖填的距離，并根據沖填土料情況、壩高及施工工期要求，綜合分析確定沖填壩（堤防）的期數及每期沖填的高度，并在不同壩高上進行抗滑穩定分析計算等。

（3）根據水力沖填的距離，堤防填筑總土方量、土料情況及施工工期，合理選擇沖填設備，以節約投資