福安市賽江左岸扆山至溪柄橋段堤防工程地基處理研究

漆 云

(廣東珠榮工程設計有限公司，廣州 510610)

0 引 言

城市河道堤防工程建設是一項十分重要的工程。由于自然河道岸坡穩定性較差，在河水長期的沖刷作用下，岸坡坍塌現象十分常見，將造成嚴重的水土流失現象，同時不利于河道生態保護[1-3]。堤防作為一種極為常用的防洪措施，其修建可以改善河道岸坡穩定性較差的現象，同時，也可保護沿線居民免受洪水災害影響[4-6]。軟土是影響工程建設的一個重要因素，結合溪柄鎮賽江左岸扆山至溪柄橋堤段工程，對堤基處理方案進行分析。

1 工程概況

溪柄鎮賽江左岸扆山至溪柄橋堤段位于溪柄鎮區。溪柄鎮區位于賽江干流左岸，鎮區北面為賽江支流茜洋溪，鎮區南面為賽江支流龍新溪。鎮區北面茜洋溪左岸防洪堤已列入賽江防洪一期工程，防洪標準為20a一遇，現狀已建成。鎮區南面支流龍新溪以104國道為界，104國道溪柄橋上游兩岸緊鄰鎮區，兩岸防洪堤已建成。104國道下游兩岸現狀為農田，河道為自然河岸，未設任何防洪設施。賽江左岸與104國道之間現狀為農田示范區，規劃為鎮區，河岸為自然河岸，未設任何防洪設施。

2 堤防工程設計

2.1 地基處理方案比選

根據工程地質勘察揭示，賽江左岸扆山至溪柄橋堤段堤基廣泛分布有一層淤泥軟弱層，淤泥層以上一般覆蓋有一層薄層粉質黏土及部分雜填土，淤泥層以下為卵石。

樁號YX0+000-YX2+369段，堤基表層雜填土或粉質黏土在1.8-3.1m之間，下層淤泥層厚一般在2-4m之間，下臥倒層為砂卵石層和粉質黏土層；樁號YX2+620-YX2+870段，地基表層雜填土或粉質黏土厚3-4.5m，下層淤泥層厚約1-1.8m，該兩段堤防地基均存在淤泥軟弱地基層，需進行地基處理。

軟弱地基的處理方法有墊層法和淺層處理、反壓法、水平加筋、豎向排水體、真空預壓、料粒樁、加固土樁、水泥粉煤灰碎石樁、剛性樁、爆破擠淤、強夯和強夯置換等。

樁號YX0+000-YX2+369和YX2+620-YX2+870段淤泥表層均覆蓋粉質黏土層，部分堤段粉質黏土層較厚，局部可達4.5m，淤泥層亦厚2-5m，且堤基寬度大，墊層和淺層處理不可行。本堤段淤泥層厚度不大，采用料粒樁、加固土樁、水泥粉煤灰碎石樁、剛性樁等方法明顯工程投資大；采用真空預壓、爆破擠淤等方法，則施工技術要求高。本階段設計根據一般工程經驗，擬定以下3種方案進行比較。

方案一：反壓法；

方案二：反壓法+加筋法；

方案三：反壓法+加筋法+排水固結法。

各地基處理方案詳見各方案典型斷面圖，見圖1。

(a)方案一

(b)方案二

(c)方案三

從施工技術上看，3個方案均較為常見，但方案三施工工藝相對較為復雜，其次為方案二，方案一最優。

從工程占地上看，方案一占地最大，方案二其次，方案三占地較小。三者相差不大。結合城鎮總體規劃，工程保護區擬大范圍征地，并填土至7.2m高程。且在堤背規劃建設濱江路，堤背占地處于規劃路路基以下，三個方案在占地上的實際差距可進一步減小。三個方案在占地上的實際差異主要體現在堤前占地，但堤外灘地不可利用。如不考慮堤背占地，則三個方案每100m占地指標依次為0.39hm2、0.36hm2、0.34hm2。3個方案占地差異不明顯。

從工程造價上看，方案一每100m可比工程投資221.9萬元，投資最為節省；其次為方案二，可比工程投資264.1萬元；方案三投資最大，為280.9萬元。

由于所選典型斷面為淤泥最為深厚的堤段，隨著上游淤泥厚度逐漸變小，堤基表層覆蓋層厚度逐漸增加，方案二、三的占地上的優勢將進一步縮減。綜上因素，本階段設計推薦方案一，即反壓法方案。

樁號YX2+369-YX2+620段，地基表層雜填土或粉質黏土在0-1.4m之間，局部淤泥層出露，淤泥層厚度1.8-2.8m之間，淤泥層之下為0.5-2.6m后粉質黏土層，下臥層為砂卵石層。該段淤泥層相對較薄，本次考慮將淤泥挖除換填黏土方式對堤基進行處理。

樁號YX2+870-YX3+100段，堤基表層雜填土或粉質黏土厚約5m，下層為砂卵石層，堤基無軟弱層無需進行堤基處理。

2.2 堤防工程方案

溪柄鎮溪柄堤段(YX0+000-YX2+718)主要堤型結構為：堤頂防汛公路寬4m，防汛道路下分別為透水磚5cm、1∶2水泥砂漿結合層3cm、C15混凝土墊層10cm，防汛道路迎水側設置C20混凝土防浪墻；迎水側坡比為1∶2.5，護面采用15cm后現澆生態混凝土護坡，材料由上至下分別為：覆土植草綠化厚30mm、填充復合營養改良材料一層、現澆生態混凝土厚150mm、400g/m2營養土工布一層，并設置C25鋼筋混凝土框梁；坡腳為C20混凝土小擋墻防沖護腳，頂寬1m，高1.5m；背水側坡比為1:2.0，為草皮護坡堤腳設置C20排水溝。并于迎水坡和背水坡坡腳位置設置5.0-7.0m的反壓平臺。見圖2。

圖2 溪柄鎮溪柄堤段(YX0+000-YX2+718)堤型結構

溪柄鎮溪柄堤段(YX2+718-YX3+100)主要堤型結構為：堤頂防汛公路寬4m，防汛道路下分別為透水磚5cm、1∶2水泥砂漿結合層3cm、C15混凝土墊層10cm，防汛道路迎水側設置漿砌條石防浪墻；堤身為C20埋石混凝土擋墻，表面采用30cm厚M10條石鑲嵌，頂寬1.0m，迎水面坡度為1∶0.15，墻背坡度為1∶0.35，墻身設置DN110@2.0×2.0mPVC排水管，梅花形布置；背水側坡比為1∶2.0，為草皮護坡。見圖3。

圖3 溪柄鎮溪柄堤段(YX2+718-YX3+100)堤型結構

2.2.1 堤防穩定計算

本堤段共有兩種擋墻型式：直墻式埋石混凝土擋墻和斜坡式土堤。埋石混凝土擋墻需對擋墻的抗滑、抗傾穩定進行計算；斜坡式土堤穩定需計算堤防的整體穩定。

1)土材料物理力學指標：

填土計算指標根據地質勘查實驗及參照現有工程經驗得出的相關材料結果，計算采用的材料物理力學指標見表1、表2。

表1 地基土層相關材料物理力學指標

表2 土料場土料物理力學指標

2)計算工況：

堤防穩定計算選取正常運用條件和非常運用條件進行穩定計算，詳見表3、表4。

表3 斜坡式堤防整體穩定計算工況

表4 直墻式埋石混凝土擋墻整體穩定計算工況

3)斜坡式堤防穩定計算：

本次斜坡式堤防穩定計算選取2種情況進行計算：①淤泥層出入較淺的堤段，本次采取挖除淤泥層黏土換填方式處理，選取樁號YX2+620斷面為代表斷面進行穩定計算，堤高5.69m；②淤泥層出入較深的堤段，選取沿堤線6個斷面進行穩定計算，堤高為3.96-5.03m。斜坡式堤防穩定計算公式及計算軟件與前面相同。經計算，各種工況下。經計算，各種工況下，堤防整體穩定計算結果見表5：以上3種工況均滿足設計允許值，堤防抗滑穩定能滿足規范要求[7]。

續表5 各種工況堤防整體穩定安全系數

從表5可知，以上3種工況均滿足5.1.4章節所列的設計允許值，堤防抗滑穩定能滿足規范要求。

4)直墻式埋石混凝土擋墻穩定計算：

直墻式埋石混凝土穩定計算本次以樁號YX2+718斷面為代表斷面進行計算，擋墻高6.29m，擋墻基礎坐落在拋石基礎上。直墻式埋石混凝土擋墻計算公式及計算軟件與前面相同[8]。經計算，各種工況下，擋墻穩定及基底壓力計算結果見表6。

表6 擋墻穩定及應力計算成果

經計算擋墻穩定安全系數滿足設計允許值，堤防設計是安全的。

2.2.2 滲流及滲透穩定計算

堤基主要土層土的滲透變形類型：耕植土、粉質黏土、全風化凝灰熔巖的滲透變形類型為流土，雜填土、砂卵石的滲透變形類型為管涌。根據地質報告單行本堤基各主要土層的允許水力坡降：粉質黏土0.55，含泥細砂0.1，中砂0.12，砂卵石0.12-0.15，殘積砂質黏性土0.5。

經計算該堤段堤基滲透穩定計算結果見表7。

表7 滲流穩定計算表

經計算堤基最大滲透坡降0.19，<堤基允許滲透坡降0.5；堤基滲流滿足要求；堤身最大滲透坡降0.24，小于堤身允許滲透降0.5，堤身滲流滿足要求。

2.3 堤岸防護計算

2.3.1 堤腳沖刷深度計算

本堤段河床大部為粉質黏土和砂卵石。本堤段水流流向與岸坡最大交角為20°，因此水流流速不均勻系數均在平順段取1.0，在交角最大取1.25，平順段本次選取最大流速與最大水深斷面計算沖刷深度，計算結果見表8。

表8 計算沖刷深度表

根據沖刷深度計算成果，本工程絕大部分堤防沖刷深度均<1.00m，局部堤段沖刷最大沖刷深度為1.29m。結合福安市地區河流特點及已建堤防堤腳防沖的處理方式，對河道堤腳抗沖刷深度按≥1.10m設置，同時堤腳設置拋石，增強堤腳的抗沖性能。

2.3.2 拋石護腳粒徑計算

按平均最大流速3.54m/s計算，則d=0.27，折算成單塊塊石最小重為23kg。故本工程對拋石護腳表層理砌塊石最小質量要求≥23kg。

2.3.3 護岸材料厚度計算

混凝土板作為護面時，護面板厚度按下式計算：

γb

(1)

式中：t為混凝土護面板厚度，m；η為系數，對于開縫板可取0.075；對于上部開縫板，下部為閉縫板可取0.10，本次取0.075；H為計算波高，取H1%，m；γb為混凝土板的容重，取24；γ為水的容重；L為波長，m；B為沿斜坡方向護面板長度，m，取0.3m；m斜坡坡率，取2.0。

2.3.4 沉降計算

本堤段堤基存在厚1.7-4m厚淤泥層。溪柄水閘下游段樁號YX2+718-YX3+100段淤泥層較薄，本次采用拋石對地基進行加固處理，該段堤基和堤身的沉降量較小可忽略。YX2+718上游段，由于堤基存在軟土層，應進行沉降量計算，預留沉降超高，以保證在沉降終了時堤頂高程能達到設計值。

堤頂部位沒有外加荷載。因堤基荷載為填土荷載，可假設在堤頂中心點下附加應力沿深度是均布的。淤泥層下的卵石層的沉降量不計，因此堤基壓縮層計算深度至卵石層，分別為淤泥4m，粉質黏土層3m和堤身填筑土5m。計算平均自重應力和附加應力后，根據地質單行本附表5提供的淤泥的e-p關系曲線中XB4-1和XB2-2，求的改應力下對應土層的空隙比。采用下式計算堤頂中心線下的最終沉降量：

(2)

式中：S為最終沉降量，mm；n為土層數；e1i為第i土層在平均自重應力作用下的孔隙比；e2i為第i土層在平均自重應力和平均附加應力作用下的孔隙比；hi為第i層土的厚度，mm；m為修正系數，粉質黏土層取1.0，淤泥層取1.5。

表9 地基土層相關材料物理力學指標

經計算，堤防最終沉降量為1.033m，本次初步設計工后預留沉降量為1.1m。

3 結 論

結合賽江左岸扆山至溪柄橋段堤防工程實例，選取3種方案進行對比，研究淤泥堤基處理方案。通過對比采用反壓法進行處理，具有施工簡便、投資低等優勢。根據計算分析，處理后的堤防工程整體穩定性及滲流穩定性可滿足要求。堤防最終沉降量約為1.033m，滿足預留沉降量要求。采用拋石處理后，堤防可滿足防沖刷要求。