某河道清淤樁布設方案研究

陳昌澤，顧 洋，董聯杰，劉戰鋒

(1.浙江華東工程建設管理有限公司，浙江 杭州 310000；2.華北水利水電大學 巖土工程與水工結構研究所，河南 鄭州 450046)

隨著我國社會的快速發展，城市人口數量激增，大大超出了城市基礎設施的承載能力，給城市的發展建設造成了一系列的問題，其中最引人矚目的就是城市黑臭水體問題[1]。如今，人們越來越重視城市生態空間的建設，這就使得城市河道清淤的重要性日益突出。城市河道清淤的周圍環境條件極其復雜，如果支護方案選擇不當，嚴重時將誘發臨近建筑物變形、臨近道路裂縫以及誘發周圍環境產生其他影響問題，河道清淤的研究工作主要集中在其自身的安全穩定問題，如河道內土體變形規律、安全與穩定以及圍護結構變形等。在河道清淤時，為保證河道兩岸的穩定性，往往采用支護樁等支護型式。俞文虎等[2]以有限元法為基礎，采用樁單元模擬樁對復雜邊坡不同樁間距抗滑樁支護效果進行仿真分析，發現在抗滑樁設計中，樁間距既不能過大亦不能過小;樁間距過大，則治理效果較差，拱效應作用微弱;樁間距過小，則施工困難，費用增加，對原狀坡體的擾動增大。楊貞貞等[3]以貴州省劍河清水江防洪堤項目為例，基于FLAC3D下的數值計算方法研究加筋格賓擋土墻的力學特性及安全穩定性，并結合擋土墻施工過程及不同河道水位下工作情況，分析數值擬合不同參數對加筋格賓擋土墻影響的結果合理性，揭示各工況、不同參數下擋土墻的力學特性及安全穩定性。俞曉等[4]根據強度折減法，運用ABAQUS有限元分析軟件探討抗滑樁截面尺寸以及樁側摩阻對邊坡穩定性的影響，指出實際抗滑樁工程中控制和優化樁的有效截面尺寸，采用多樁減寬的方式將是經濟有效的。雷寧等[5]針對具體工程開展岸坡防護措施研究，并借助有限元數值軟件FLAC開展岸坡防護與坡體穩定性影響參數分析，得出岸坡隨坡度增大安全穩定系數逐漸降低，但最大位移量與穩定性關聯性并不顯著；岸坡表層應力為0，坡身內部存在負應力值，并隨深度增大，應力值遞增。文章基于涵江區都邠溝河道整治工程，利用FLAC3D軟件探討了不同樁支護距離方案的選擇，以期為城市河道整治提供借鑒。

1 工程概況

1.1 都邠溝河道特點

都邠溝位于莆田市涵江區，流向為自西北向東南。起點處都邠村段臨河而建密集排布的1～3F磚混民居及臨時板房；中段兩岸以農田及建筑工地為主；尾段高林街至終點段，左岸為已建1～3F磚混民居及莆田十七中操場，右岸多為荒地，兩岸沿河已建砌石擋墻，頂寬約0.60m，高出河面約1m。

1.2 工程地質條件

工程地貌單元屬于海相沉積及海陸交互相沉積地貌單元。根據鉆探揭露及室內土工試驗，該工程區內覆蓋層主要由雜填土、粉質黏土、淤泥、殘積砂質黏性土等組成，具體分布情況如下所述。①雜填土：以雜色、灰色為主，松散，稍濕，由黏性土、碎礫石及建筑垃圾等組成，局部表層含有生活垃圾，粗硬質含量占40%～60%，上下分布不均，未經碾壓夯實。②粉質黏土：以黃棕色，灰黃色為主，可塑，以粉黏粒為主，無搖振反應，切面光滑有光澤，干強度中等，韌性中等。③淤泥：灰黑色，流塑，污手，略有腥臭味，切面光滑有光澤，無搖振反應。局部鉆孔的淤泥中含有少量粗砂，粒徑為0.50～2mm。④殘積砂質黏性土：以褐黃色、灰黃為主，可塑，切面可觀察到原巖結構，以黏性土為主，殘留少量石英顆粒，約占10%，稍有光澤反應，干強度中等，韌性低。

1.3 計算斷面形式

本次支護距離方案比選采用都邠溝臨時清淤設計方案中的河道清淤斷面，支護型式為仿松木樁(C25鋼筋砼)+斜坡。其中仿松木樁樁長6m，樁徑為0.30m，沿河道密排布置，仿松木樁至擋墻的距離有三種方案：1、3、5m。

2 數值分析

2.1 數值計算模型

利用FLAC3D程序分析仿松木樁至擋墻不同距離時的河道護岸變形特征。計算模型以都邠溝左岸基礎底板背水側一端為起點，在垂直河道方向取18.60m作為計算模型的x方向，背向擋墻一側為正；在沿河流方向取8m作為計算模型的y方向，指向河流下游方向為正；在豎直方向取10.50m作為計算模型的z方向，豎直向上為正。現狀擋墻高度暫無，根據實際情況推算，在計算模型中高度取為0.90m。

計算模型單元數為15456個，節點數為18234個。土層材料本構模型采用Mohr-Coulomb模型，現狀擋墻、仿松木樁及塊石采用Isotropic Elastic材料模型，簡化方法與文獻[6]一致。邊界條件為模型底部變形全部約束，四個側面均約束法向位移。另外，對模型坡頂1m外施加10kPa均布荷載，即現狀擋墻外側1～6m范圍內。如圖1所示。

圖1 數值計算模型

2.2 計算參數

根據工程地質勘察報告、區域經驗、相關規范計算等資料，采用的參數見表1。

表1 計算參數

2.3 施工工況

(1)工況1：在距離擋墻邊1m(3m，5m)處，采用6m仿松木樁進行支護。

(2)工況2：河道排水，擋墻后側為地下水位，墻前無水。

(3)工況3：土方回填放坡，坡比為1∶4，并用植草護坡等方式對岸坡進行保護。

(4)工況4：河道清淤，清淤厚度為60cm。

(5)工況5：仿松木樁附近2m，清淤60cm后進行塊石擠淤，擠淤厚度為70cm。

2.4 模擬結果分析

河道排水后，由于擋墻臨水側失去了抵抗背水側主動土壓力的靜水壓力，現狀擋墻及其下粉質黏土整體向河道一側水平移動，最大水平位移達到2.30cm，如圖2所示。現狀擋墻后方土體發生沉降，沉降范圍延伸至擋墻底部，最大沉降位移達到1.67cm，在右側河道內，由于河水排出，土體發生卸荷回彈，其回彈位移最大為6.12mm，如圖3所示。此時護岸位移較大，河道排水后可能會出現塌岸現象，故在河道排水前，需進行樁基施工。

圖2 河道排水后水平位移

圖3 河道排水后豎向位移

采用仿松木樁支護排水后，樁周一定范圍內的土層密實度得到提高，起到擠密作用。應力向樁體逐漸集中，樁周土體所承受的應力相應減少，大部分荷載由仿松木樁承受。此時現有擋墻及其周圍土體不再有較大位移發生，如圖4—5所示，河道護岸穩定，可以進行清淤工作。

圖4 仿松木樁支護河道排水后水平位移(1m)

圖5 仿松木樁支護河道排水后豎向位移(1m)

河道清淤等工況完建后，支護方案一中最大水平位移出現在仿松木樁及其背后下方的土體，最大值約為5.50mm，河道內土體由于清淤卸荷回彈，其回彈位移最大為7.67mm，如圖6—7所示，由于樁身材料為C25混凝土，其發生較大水平位移，河道清淤后有可能會出現塌岸現象。

圖6 支護方案一水平位移

圖7 支護方案一豎向位移

支護方案二中，最大水平位移出現在仿松木樁及其背后下方的土體，最大值約為2.47mm，回填土體在自重的作用下，其最大沉降位移為3.67mm，河道內土體由于清淤卸荷回彈，其回彈的位移最大為4.56mm，如圖8—9所示，支護結構對河道兩岸起到支撐保護作用，根據實際工程的要求，此時河道兩岸已達到穩定。

圖8 支護方案二水平位移

圖9 支護方案二豎向位移

支護方案三中，最大水平位移出現在仿松木樁及其背后下方的土體，最大值約為1.89mm，回填土在自重的作用下，其最大沉降位移為4.52mm，河道內土體由于清淤卸荷回彈，其回彈的位移最大為3.75mm，如圖10—11所示，此方案支護效果略好于方案二。

圖10 支護方案三水平位移

圖11 支護方案三豎向位移

3 方案比選

綜上所述，方案二、方案三的河岸穩定性滿足工程要求，且仿松木樁距離擋墻越遠，對于穩定更加有利。方案一中仿松木樁支護距離擋墻1m，清淤完建工況的穩定性不滿足工程要求。從安全穩定、不占河道、節約時間和成本等多方面考慮，本次清淤支護推薦方案二，即仿松木樁距離擋墻間距為3m。

4 結論

本次河道清淤斷面采用仿松木樁(C25鋼筋砼)+斜坡的支護型式，在河道清淤排水前，需進行樁基施工，且仿松木樁距離擋墻越遠，河道支護結構變形越小，對于穩定更加有利，當仿松木樁的距離增加到一定程度時，支護結構的變形受支護距離變化的影響減弱，選用支護方案時，應從多個方面綜合考慮。當安全性滿足時，應選擇有利于施工、能夠節約時間和成本的支護方案。利用有限差分軟件FLAC3D對河道清淤的不同工況進行數值分析，可以更好地協助分析和判斷施工的具體情況，確保清淤工程的安全性，尤其是對于鄰近建筑物密集的河道。另外，在此基礎上，可以選擇經濟性和生態景觀性較優的支護方案。