灌注樁加固河道堤防邊坡穩定計算分析

麥麥提·阿吉吾布力

（喀什水文勘測局，新疆 喀什844000）

1 工程概況

某堤防工程位于沱江支流瀨溪河兩岸，主要保護河段兩岸房屋、土地、岸坡。新建復合式堤防總長2010m，保護區域面積0.36km2，保護人口1.0萬人，河段綜合治理1.5km。

瀨溪河是沱江左岸較大一級支流。流域內多為丘陵，為淺丘地貌，工區屬構造剝蝕丘陵低山地形，河谷沖刷切割地貌，丘谷相對高程90m，絕對標高254～340m。地形地貌受構造、巖性的雙重控制，丘頂在向斜中部由于地層平緩，砂、泥巖相同，風化后形成塔狀平頂中丘。近背斜翼部地區，形成順走向延伸的斜面丘，丘坡傾向與向斜軸部一側，坡面傾斜平緩與巖層傾角基本一致。

工程區處于古佛山西側，主要為丘陵地貌。山丘地面高程300～350m，相對高差50～120m，多為構造剝蝕之圓形山丘、侵蝕洼地或沖溝相間分布的地貌形態，賴溪河為該區的最低侵蝕基準面，河谷較開闊，呈不對稱“V”型，河道蜿延曲折，工程區地段高程250～340m。地貌主要受巖性控制，砂巖多為陡崖或單面山坡，泥巖多為緩坡或圓形山丘。

鑒于該地區降雨充沛，多年年均降雨量達1048.9mm，而結合當地防洪規劃及防護對象的范圍和重要性，確定本防洪治理工程防洪標準為10年一遇洪水。由于工程區地質條件較為復雜，覆蓋層深厚，建議采用鋼筋混凝土灌注樁處理堤防基礎，從而減小開挖量，保障施工過程中的安全性。本文從設計角度分析驗算了瀨溪河復合式堤防 （鋼筋混凝土灌注樁基礎）在不同運行工況下的整體穩定性，同時對比計算不考慮灌注樁時堤防邊坡的穩定性和位移變形，為后期工程的順利開展提供理論支撐。

2 工程地質條件

工程區不良物理地質現象主要為巖體風化、卸荷、崩塌及兩處蠕變體等，泥石流不發育。由于受地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件等影響，其物理地質現象主要表現為風化、卸荷等。一般強、弱風化帶厚度分別為1～5m，3～5m；卸荷帶水平寬度一般15～30m，局部達50m。

本工程堤線上覆土層厚度整體較深，厚度3.5～15m之間，部分基巖埋置較淺部分較深，土層為洪積物粉質黏土層、砂質黏土層、黏土質砂層（稍密～松散層）和人工填筑土、雜填土。

黏土質砂層（稍密～松散層）力學性質相對較差，不宜作為堤基持力層；砂質黏土層軟塑狀，承載力低變形模量大，不宜作為堤基持力層；粉質黏土層可塑狀，含水量不高，承載力較低，變形模量較大，力學性質相對較差，不宜作為堤防地基；基巖力學性質較好，可選作地基持力層。

因此，本工程設計的鋼筋混凝土灌注樁樁基必須嵌入基巖3m，從而起到承受上部平臺傳遞的壓力及抵抗滑坡體下滑力的作用[1，3]。

3 計算參數、方法及建立模型

3.1 計算參數

本工程堤身從上到下巖體材料分別為石渣料、填土、可塑狀砂質黏土、強風化泥巖和砂巖層，根據地質資料，穩定計算參數選擇如下：

（1）砂巖石渣料：容重19kN/m3，C=5kPa，φ=32°。

（2）填土層：容重18kN/m3，C=5kPa，φ=19°。

（3）可塑狀砂質黏土層：容重16.5kN/m3，C=12kPa，φ=14°。

（4）強風化泥巖：容重23.8kN/m3，C=86kPa，φ=23°。

（5）砂巖層：容重24.6kN/m3，C=135kPa，φ=26°。

各堤段堤身填料采用強風化砂巖石渣填筑，石渣填筑料要求石質較堅硬，含泥量小于5%，干密度不小于1.9g/cm3。

3.2 穩定計算方法

瀨溪河復合式堤防穩定計算采用GB50286—2013《堤防工程設計規范》[4]規定的極限平衡法中的瑞典圓弧法進行計算，安全系數K計算如式（1）[5-8]：

式中 W為土條重量 （kN）；Q，V為水平和垂直地震慣性力（V向上為負，向下為正）（kN）；μ為作用于土條地面的空隙壓力 （kN/m2）；α為條塊重力線與通過此條塊地面中點的半徑之間的夾角（kN）；b為土條寬度（m）；C′，φ′為土條底面的有效凝聚力（kN/m2）和有效內摩擦角（°）；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩（kN·m）；R為圓弧半徑（m）。

3.3 計算模型

結合工程實際情況，選取典型斷面進行建模分析計算，為提高計算效率，對模型進行了一定的簡化處理[9-10]，計算模型垂直方向高20m，水平方向長60m。該斷面10年一遇洪水，高程261m，設計堤頂高程262m，砂巖石渣填筑坡比1∶1.75，馬道高程256，寬2m，模型暫不考慮石渣料表層的框格梁護坡。根據設計要求，本工程鋼筋混凝土灌注樁軸向間距3m，樁徑0.8m，抗剪強度800kPa，如圖1。

圖1 瀨溪河堤防穩定計算模型

4 計算結果分析

根據堤防設計規范要求，現對瀨溪河灌注樁基礎復合式堤防選取3個工況進行穩定性定量分析。包括：設計洪水位、設計洪水位驟降2m和施工期，最終穩定計算結果表1。

表1 基礎復合式堤防邊坡抗滑穩定計算

分析可知，在設計洪水位下的穩定滲流工況時，堤防的設計安全系數達到1.31，大于規范允許值1.15；而當水位出現驟降工況（降2m）時，堤防的設計安全系數降低至1.25，但同樣大于規范允許值1.15；而在施工完建期，不考慮河水作用時，堤防安全系數1.19，在3種工況中最小，這是由于施工完建期未考慮水壓力的原因，減小了滑坡體的抗滑力，但同樣滿足規范最小值1.05。說明本工程設計的灌注樁加固瀨溪河堤防，堤防邊坡各工況的最小抗滑穩定安全系數均滿足規范最小值要求。

圖2為瑞典圓弧法計算的3種工況對應的滑弧，可見3種工況下堤防的滑弧均起于上部砂巖石渣料，剪出口位于坡腳馬道內側。

圖2 堤防穩定計算成果

為了體現本工程設計的灌注樁的抗滑作用，同時計算不考慮灌注樁作用時瀨溪河堤防的穩定安全系數，其他條件完全相同，穩定計算結果如表2。

表2 瀨溪河復合式堤防邊坡抗滑穩定計算成果

對比表1可知：不考慮灌注樁作用時，該堤防在各工況下的抗滑穩定系數均明顯小于考慮灌注樁時的穩定系數，其中在工況1和工況3時的設計安全系數略大于規范允許值，但在工況2的水位驟降工況時設計安全系數僅有1.06，小于規范允許值，不滿足規范要求，說明不考慮灌注樁加固時的地方邊坡穩定性較差。

圖3為不考慮灌注樁時的3種工況對應的堤防邊坡滑弧，可見3種工況下堤防的滑弧均起于上部砂巖石渣料，與考慮灌注樁時一樣，但剪出口均位于坡腳馬道外側，與考慮灌注樁時有所不同。說明不考慮灌注樁時的滑弧比考慮灌注樁時的滑弧更大，考慮灌注樁后滑坡體前端得到加固，滑弧范圍減小，邊坡穩定性得到提升。

圖3 堤防穩定計算成果（不考慮灌注樁）

同時，研究了水位下降過程中堤防的位移變形特征。圖4為水位從設計洪水位261m逐漸降低至256m時堤頂的位移變化，根據實際情況，水位下降速率設置為0.5m/d。分析可知：隨著水位的逐漸降低，坡頂的水平和垂直位移均逐漸增大，當不考慮灌注樁時水位高程在256m時堤頂水平和垂直位移分別為7.2cm和5.1cm，而考慮灌注樁時的堤頂水平和垂直位移分別為4cm和2.1cm。說明水位下降過程中堤防的水平向變形大于垂直向變形，且考慮灌注樁后堤頂位移明顯小于無樁基的情況，采用鋼筋混凝土灌注樁加固堤基可有效控制堤防邊坡的變形。

5 結語

（1）按設計采用的鋼筋混凝土灌注樁加固堤基時，堤防邊坡各工況的最小抗滑穩定安全系數均滿足規范最小值要求，且堤頂位移變形較小。

（2）不考慮樁基時堤防邊坡的整體穩定性較差，驟降工況的最小抗滑穩定安全系數不滿足規范最小值要求，水位下降過程中堤頂的位移變形明顯大于有樁基時的位移。不考慮樁基時堤防邊坡的滑弧大于有樁基時的滑弧，證明了本次設計的灌注樁兼有端承樁和抗滑樁的作用。

（3）為了保證堤防工程的安全性，有必要采用鋼筋混凝土灌注樁對堤基進行加固，從而有助于提高邊坡穩定性和控制坡體變形。