福建莆田木蘭溪防洪工程白塘段灘地及河道整治方案探討

陳瑞椿

（莆田市萩蘆溪水電管理處，福建 莆田 351100）

1 白塘段工程簡況

莆田市木蘭溪防洪工程白塘段堤防工程起于木蘭溪下游涵壩水閘（起點樁號BT0+000），止于寧海橋上游570 m（止點樁號BT2+650.73）處[1]。白塘段主槽整治范圍為涵壩水閘外引港末端至寧海橋段，整治岸線長2650.73 m（樁號BT0+000.0～BT2+650.73）[1]，其中樁號 BT0+000.0～BT0+172.41 段涵壩水閘外引港護岸段工程量及投資已在木蘭溪下游三期荔涵段防洪工程中計列，實際需要整治主槽岸線長2478.32 m。

白塘段防洪工程位于舊河道，主槽岸坡平均流速大于2.0 m/s，左岸易受水流沖刷。位于河道彎道的鎮前左岸（樁號BT1+092.89～BT2+120.47）（見圖1）凹岸河槽在小洪水作用下，沖刷坑深2.0 m左右，在50年一遇洪水作用下，最大沖刷坑深3m～4m。地質勘測資料顯示，本工程范圍內河道主槽邊坡多為粉質粘土、淤泥質粉質粘土和淤泥，凹岸沖刷段河道主槽現有天然土層無法滿足抗沖要求，主槽需進行防沖護砌。

2 主槽水流頂沖段防沖方案

2.1 方案選定

白塘段鎮前段（樁號BT1+092.89～BT2+120.47）為水流頂沖段。設置丁壩是常用的處理水流頂沖的措施之一，但設置丁壩對河勢影響較大。木蘭溪下游河道斷面平均流速一般大于2.0 m/s，設置丁壩后可能解決了其下游一定河段內的沖刷問題，但可能將主流挑至對岸，水流紊亂、流態復雜，給對岸或上游河段帶來新的沖刷問題。采用單一拋石，由于每塊拋石都是松散體，河床掏刷成溝槽后，松散的石塊坍落入溝槽，拋石護腳將最終失效。

根據現狀堤外灘地地形和感潮河段的施工條件，河道主槽護岸岸頂高程確定為4.0 m，坡腳高程為0.50 m，主槽岸坡高程0.5 m～4.0 m范圍采用孔洞率約30%～40%的聯鎖式大塊型生態混凝土砌塊護砌，面層生態混凝土砌塊厚150 mm，孔洞內回填碎石，下層鋪設200 mm厚度碎石墊層和350 g/m2反濾土工布。根據河段水文、地形地質條件，結合主槽護岸邊坡穩定情況，對護岸的護腳防沖結構和邊坡加固方式擬定三種方案進行比選。

（1）方案一:護腳軟體排防沖+邊坡水泥攪拌樁加固。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床采用C25混凝土預制塊軟體排防沖處理，軟體排展開長度40.0 m。河床受洪水沖刷后形成較深的沖刷坑，經計算，天然地基主槽邊坡雖基本穩定，但無法達到規范規定的抗滑穩定要求。為保護主槽岸坡的穩定，在坡頂布置Ф600 m水泥攪拌樁加固，共3排，樁距為1.0 m，梅花型布置，樁身穿透淤泥質粉質粘土，樁端置于砂卵石或粉質粘土層上。見圖2。

圖2 護腳軟體排防沖+邊坡水泥攪拌樁加固方案斷面圖

（2）方案二:護腳拋填塊石+面層合金網兜防沖。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床拋填塊石，拋石體面層采用合金網兜石防沖處理。合金網兜采用特種合金材料制成兜狀，鋼絲直徑2.0±0.05 mm，內裝塊石，單個石兜重約1 t，攤鋪后平均厚0.45 m。由于凹岸河床現狀底面高程較低，主槽岸坡高程0.5 m～-3.5 m之間仍為1∶5.0～1∶8.0的斜坡，根據主槽邊坡穩定計算結果，河床沖刷形成深坑后，天然地基主槽邊坡雖基本穩定，但無法達到規范規定的抗滑穩定安全要求。為保護主槽岸坡的穩定，在主槽岸坡坡腳高程0.5 m布置15.0 m寬的反壓平臺，因此，河床拋填塊石的寬度在20 m以上。見圖3。

圖3 護腳拋填塊石+面層合金網兜防沖方案斷面圖

（3）方案三:護腳軟體排防沖+坡腳灌注樁加固。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床采用C25混凝土預制塊軟體排防沖處理，軟體排展開長度30.0 m，河床沖刷后形成較深的沖刷坑，經計算，天然地基主槽邊坡雖基本穩定，但無法達到規范規定的抗滑穩定安全要求。為保護主槽岸坡的穩定，在岸坡靠近坡腳位置布置Ф1000@1200 mm鉆孔灌注樁連續墻加固，以減小圍護樁承受的荷載，縮短樁長。由于受到潮汐影響，圍護樁位置以盡量延長施工時段考慮，施工平臺高程約為2.5 m，設計樁長20.0 m，樁端進入砂卵石層。見圖4。

圖4 護腳軟體排防沖+坡腳灌注樁加固方案斷面圖

以上三種護岸結構的可比工程量及投資比較成果（以15 m長作為一個計算單元）見表1。

經比較，方案一和方案二工程投資相當，方案三投資最高，且遠大于方案一和方案二。方案二采用護腳拋填塊石+面層合金網兜石護面，雖然合金網石兜采用特種合金材料使單個相互獨立的小塊石形成整體，“以小拼大”成大體積塊體，具有抵抗高速水流防沖作用。但是，木蘭溪河道河床表層為深厚的淤泥質粉質粘土層，凹岸水流作用下，河床可能形成3 m～4 m深的沖刷坑，臨河床側面層合金網兜及其下部的拋填塊石體會隨著沖刷坑的發展塌落，下部拋填塊石裸露，受到水流常年沖刷影響，拋石體逐漸流失，護腳平臺寬度縮小，或將危及主槽護岸邊坡的整體穩定，日常運行管理時，須對護腳拋石體的變化加強監測，必要時及時采取補拋加固處理，工程運行維護成本高。因此，推薦方案一“護腳軟體排防沖+邊坡水泥攪拌樁”方案。

表1 主槽凹岸護岸結構型式比較表

2.2 堤防及主槽邊坡抗滑穩定計算

堤防邊坡抗滑穩定按照《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）附錄F中的有關規定進行計算。

（1）本工程土堤堤基土層相對均勻，土堤的失穩破壞形式為圓弧滑動，土堤抗滑穩定采用瑞典條分法進行計算。計算公式為:

式中:Ks為計算安全系數；C為滑動面的凝聚力，kPa；L為滑弧總長，m；r為土的密度 kN/m3；bi，hi為土條的寬度和高度，m；W為土條重量，kN/m，W=r×bi；ai為土條弧邊的弦與水平線夾角度，°；φ 為土的內摩擦角度，°。

（2）土堤抗滑穩定計算工況分為正常情況和非常情況。

①堤防邊坡穩定計算

正常運用條件為:

工況1:設計洪水工況，木蘭溪河道水位為P=2%設計洪水位，計算堤防背水坡的抗滑穩定。

工況2:驟降工況，木蘭溪河道水位從P=2%設計洪水位驟降3.0 m，計算迎水坡的抗滑穩定。

非常運用條件為:

工況3:施工期，木蘭溪河道為低潮位-1.0 m，堤后北洋河網正常水位為3.70 m，計算堤防迎水坡、背水坡的抗滑穩定。

②主槽護岸邊坡穩定計算

正常運用條件為:

工況1:驟降工況，潮水位6小時內從灘地高程3.5 m驟降至-1.0 m，計算主槽岸坡的抗滑穩定。

非常運用條件為:

工況2:施工期工況，木蘭溪河道低潮位-1.0 m，堤后北洋河網正常水位為3.70 m，計算主槽岸坡的抗滑穩定。

③堤防及主槽護岸邊坡穩定計算

正常運用條件為:

工況1:驟降工況，木蘭溪河道水位從P=2%設計洪水位驟降3.0 m，計算堤防及主槽岸坡的整體抗滑穩定。

工況2:驟降工況，潮水位6 h內從高程3.5 m驟降至-1.0 m，計算堤防及主槽岸坡的整體抗滑穩定。

非常運用條件為:

工況3:施工期，木蘭溪河道低潮位-1.0 m，堤后北洋正常水位為3.70 m，計算堤防及主槽岸坡的整體抗滑穩定。

（3）計算成果

根據地質土層分布情況及巖土的物理力學指標，場地土存在有較厚的淤泥質粉質粘土，軟土抗剪強度低、承載力低，易變形，呈高壓縮性，存在抗滑穩定問題，堤基工程地質條件差。本次 分 別 選 取 樁 號 BT0+250.00、BT1+300.00、BT2+000.00 和BT2+500.00等幾個典型斷面進行邊坡抗滑穩定計算。堤身夯填粘性土計算指標根據料場勘探成果，結合上游已建堤段的堤身填土經驗確定，即飽和快剪Cq=23 kPa，Фq=16°；飽和固快Cq=16 kPa，Фq=20°。

①堤防邊坡抗滑穩定計算

在主槽岸坡穩定的情況下，計算天然地基條件下的堤防迎水坡、背水坡各工況抗滑穩定成果見表2。

表2 堤防邊坡抗滑穩定計算結果（不考慮主槽岸坡穩定情況的天然地基）

由表2計算成果可知，在主槽岸坡穩定的情況下，計算天然地基條件下的堤防迎水坡、背水坡各工況抗滑穩定滿足規范要求。

②主槽護岸邊坡抗滑穩定計算

白塘段整治后的主槽岸坡坡比為1∶5.0，坡頂高程為4.0 m，坡腳高程為0.50 m，高程0.50 m以下河床按照現狀地形采用C25混凝土預制塊軟體排進行鋪底防沖處理，護岸邊坡穩定計算復核河床受水流作用并形成沖刷坑后的整體抗滑穩定情況。本次選取樁號BT0+250.00和BT1+300.00兩個斷面，計算主槽護岸在天然地基條件下的邊坡抗滑穩定，成果見圖5、圖6及表3。

圖5 工況一主槽護岸樁號BT0+250.00斷面邊坡抗滑穩定計算簡圖（天然地基）

圖6 工況一主槽護岸樁號BT1+300.00斷面邊坡抗滑穩定計算簡圖（天然地基）

表3 主槽護岸邊坡抗滑穩定計算結果（天然地基）

為保護主槽護岸的穩定，在“主槽護岸結構型式比選”中確定采取Ф600 mm深層水泥攪拌樁對主槽岸坡進行加固，樁距為1.0 m，梅花型布置，共3～4排，面積置換率為32.6%。水泥攪拌樁設計水泥摻量為17%，樁身抗壓強度按1.0 MPa計算，推算水泥攪拌樁樁身抗剪強度C=250 kPa，內摩擦角φ=25°，加固后的淤泥質粉質粘土層綜合抗剪強度C=92 kPa，內摩擦角φ=10.6°。

主槽岸坡采用Ф600 mm深層水泥攪拌樁加固處理后，邊坡抗滑穩定滿足規范要求。加固后各工況主槽護岸邊坡抗滑穩定計算成果見圖7、圖8及表4。

圖7 工況一主槽護岸樁號BT0+250.00斷面邊坡抗滑穩定計算簡圖（岸坡加固處理后）

圖8 工況一主槽護岸樁號BT1+300.00斷面邊坡抗滑穩定計算簡圖（岸坡加固處理后）

表4 主槽護岸邊坡抗滑穩定計算結果（主槽護岸岸坡加固處理后）

③岸整體抗滑穩定計算

根據白塘段堤防及主槽護岸工程布置及選定的主要建筑物結構型式，整治后的主槽岸線距離堤軸線18 m～55 m，灘地寬度9 m～45 m，其中主槽護岸樁號HA0+000.00～HA0+264.94和HA1+453.17～HA2+992.41段灘地寬度較窄，僅9 m～25 m，其余段灘地寬度為25 m～45 m。本次計算對主槽護岸采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固的工程段，分別選取樁號BT0+250.00和BT1+300.00斷面進行整體邊坡抗滑穩定復核。

在堤基為天然地基條件下，計算堤防及主槽護岸整體邊坡抗滑穩定成果見圖9及表5。

圖9 工況二樁號BT0+250.00斷面堤防及主槽護岸邊坡整體抗滑穩定計算簡圖（主槽岸坡加固處理，堤基為天然地基）

表5 堤防及主槽護坡整體邊坡抗滑穩定計算結果（堤基為天然地基）

由表5可知，主槽護岸采用水泥攪拌樁加固后，因樁號BT1+300.00斷面所處位置灘地較寬，堤防及主槽岸坡整體抗滑穩定滿足規范要求；而樁號BT0+250.00斷面所處位置灘地較窄，在潮水位從3.50 m驟降至-1.0 m工況時，堤防及主槽護岸岸坡整體抗滑穩定系數大于1.0，但不滿足規范要求。經試算，在主槽岸坡采用水泥攪拌樁加固后，堤前灘地寬度大于22.0 m時，堤防及主槽護岸邊坡整體抗滑穩定滿足規范要求。因此，需對堤防樁號BT0+150.00～BT0+450.00和BT1+650.00～BT2+250.00段堤防的堤基進行加固。建議在護腳位置布置3排Ф600 mm水泥攪拌樁加固，樁距1.0 m，梅花形布置。堤基加固處理后計算樁號BT0+250.00斷面的堤防及主槽護岸整體抗滑穩定成果見表6。

表6 堤防及主槽護岸整體邊坡抗滑穩定計算成果

由表6可知，堤基和主槽護岸岸坡采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固后，堤防及主槽護岸整體抗滑穩定滿足規范要求。

由以上計算可知，因工程區地基存在深厚的淤泥質粉質粘土層，且下臥的粉砂層粘聚力低，存在邊坡抗滑問題。為保護主槽護岸邊坡的穩定，需對主槽岸坡進行加固處理。同時，本堤段新建堤防局部緊鄰主槽護岸，經分析，對堤外灘地寬度小于22.0 m堤段，需對堤防堤基進行加固處理，以滿足堤防及主槽岸坡整體抗滑穩定需要。建議采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固，樁間距為1.0 m，梅花型布置。堤基及主槽岸坡加固處理后，各種工況的堤防及主槽岸坡整體抗滑穩定計算成果見表7。

表7 堤防及主槽護岸整體邊坡抗滑穩定計算結果

3 結語

根據主槽岸坡的地形、地質條件，因采取水泥攪拌樁加固的范圍位于現有主槽內側灘地上，施工條件較好，潮水漲落對施工影響有限，且工程投資遠低于方案三。因此，推薦方案一，即河道主槽岸坡高程0.50 m～4.0 m范圍采用孔洞率約30%～40%的聯鎖式大塊型生態混凝土砌塊護砌，坡腳以外河床采用C25混凝土預制塊軟體排防沖處理，邊坡采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固。