徐州市奎河上游段護(hù)岸加固改造措施研究

董學(xué)剛，沈 印

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引言

奎河起源于徐州市云龍湖，向南流經(jīng)銅山區(qū)，在三堡鎮(zhèn)黃橋閘下進(jìn)入安徽省，為淮河流域重要的跨省界河流之一。由于兩岸雨污合流、截污管網(wǎng)老化且市區(qū)段缺乏有效補(bǔ)水等問題存在，現(xiàn)狀水質(zhì)較差。同時(shí)兩側(cè)護(hù)岸年久失修且結(jié)構(gòu)單薄，多處已變形嚴(yán)重，存在發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)性。故為進(jìn)一步提升市區(qū)奎河的水安全、水環(huán)境及水生態(tài)質(zhì)量，將奎河流域打造成集親水、生態(tài)、旅游和亮化于一體的廊道，徐州市政府緊緊圍繞“凈水、添綠、展文、便民”的目標(biāo)定位，實(shí)施了徐州市區(qū)奎河綜合整治工程。該工程奎河以袁橋閘為界分為上、下游兩段，現(xiàn)研究對(duì)象為河道上游段護(hù)岸。

1 關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)

（1）地質(zhì)條件復(fù)雜：沿線地層分布起伏較大，巖層深淺不一，較淺處已出露河底，較深處鉆孔尚未探出。同時(shí)，由于奎河現(xiàn)狀護(hù)岸為歷年多次加高壘砌而成，墻后多有施工過程中留下的石塊、磚渣等建筑垃圾，在周邊工程鉆孔灌注樁施工時(shí)，便遇到了對(duì)施工影響較大的大塊石。

（2）現(xiàn)狀護(hù)岸薄弱：現(xiàn)狀護(hù)岸施工年代久遠(yuǎn)，施工標(biāo)準(zhǔn)較低，且斷面均為貼坡式漿砌塊石結(jié)構(gòu)，局部砂漿勾縫已被淘空，多處護(hù)岸受墻后樹木影響已具有明顯的變形。在這種情況下，任何較大的施工荷載或振動(dòng)都有可能對(duì)護(hù)岸造成無可挽回的破壞。

（3）墻后管線隱患：現(xiàn)狀河道兩側(cè)沿線均有一根污水干管埋設(shè)于護(hù)岸后側(cè)，污水管距離護(hù)岸較近，且同樣由于年久失修，故較易受到外部影響而發(fā)生破壞。污水管一旦產(chǎn)生大量的滲漏，不但對(duì)護(hù)岸安全產(chǎn)生威脅，更將對(duì)河道水質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重污染。在下游已發(fā)生過由于管線破損滲漏而導(dǎo)致護(hù)岸滑坡的情況。因此，在護(hù)岸加固改造施工過程中需考慮對(duì)現(xiàn)狀管線的保護(hù)。

（4）施工空間狹小：現(xiàn)狀河道兩側(cè)為車行道，但由于周邊通行需求大、車流量高，施工期間仍需滿足單向通行的條件。同時(shí)局部房屋距離河邊不足3 m，故能為施工提供的空間非常有限。

（5）缺乏人行空間：現(xiàn)狀河道兩側(cè)空間較窄，在滿足車輛通行的前提下，局部已無足夠空間保證濱河慢行道的貫通。為了確保工程便民利民的主旨不變，需在保障河道行洪能力的前提下，借用河道水面以上空間。

（6）護(hù)岸景觀較差：現(xiàn)狀護(hù)岸為多次加高壘砌而成，自下而上依次采用漿砌塊石、漿砌條石及磚砌結(jié)構(gòu)，層次過于清晰，表面材質(zhì)及紋理不統(tǒng)一，加之年久失修，局部已破損，整體景觀效果較差。現(xiàn)狀護(hù)岸如圖1所示。

圖1 現(xiàn)狀護(hù)岸之實(shí)景

2 現(xiàn)狀復(fù)核

為保證加固改造方案的合理性，首先對(duì)現(xiàn)狀護(hù)岸進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核，包括：堤頂高程、護(hù)岸抗滑及抗傾覆穩(wěn)定、堤防整體穩(wěn)定及地基承載力的復(fù)核[1]。由于篇幅有限，本文選取樁號(hào)K4+000處的斷面穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算成果詳見表1所列，其中Kc、K0及各項(xiàng)允許值根據(jù)規(guī)范[1]選取。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，現(xiàn)狀護(hù)岸抗滑穩(wěn)定性及整體穩(wěn)定無法滿足規(guī)范要求，局部斷面在降水施工或地震工況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)已小于1.0，因此對(duì)現(xiàn)狀護(hù)岸進(jìn)行加固是十分必要的，同時(shí)需要在墻前降水之前進(jìn)行。現(xiàn)狀護(hù)岸結(jié)構(gòu)斷面如圖2所示。

圖2 現(xiàn)狀護(hù)岸典型斷面圖（單位：m）

典型斷面的護(hù)岸復(fù)核計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 典型斷面護(hù)岸安全穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果一覽表

3 加固方案初擬

針對(duì)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)狀護(hù)岸安全穩(wěn)定復(fù)核結(jié)論，現(xiàn)提出初步的加固改造方案如下：

現(xiàn)狀護(hù)岸陸域側(cè)施打密排圍護(hù)樁。該圍護(hù)樁的主要作用有四點(diǎn)：第一，提高護(hù)岸整體穩(wěn)定性，防止發(fā)生圓弧滑動(dòng)破壞；第二，降低墻后水平土壓力，提高護(hù)岸結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性，確保在墻前降水施工期間護(hù)岸的安全穩(wěn)定；第三，則是減少護(hù)岸施工期間對(duì)樁后污水管的影響；第四，則是充分利用樁基豎向承載能力及樁頂抗彎能力，承受護(hù)岸前懸挑平臺(tái)及貼面結(jié)構(gòu)的荷載。同時(shí)，考慮到復(fù)雜的地質(zhì)情況及狹窄的施工空間，樁基采用了樹根樁的型式，并采用細(xì)石混凝土代替碎石+注漿作為樁身填充料，從而減少壓力注漿過程中對(duì)現(xiàn)狀護(hù)岸產(chǎn)生的不利影響。其次，為保證濱水慢行道的貫通，拆除現(xiàn)有磚砌欄桿，于護(hù)岸頂部增加懸挑平臺(tái)，在充分利用水面以上空間的基礎(chǔ)上又提高了河道的親水景觀性。最后，于現(xiàn)狀漿砌塊石護(hù)岸表面增加20 cm厚鋼筋混凝土貼面結(jié)構(gòu)，從而增加現(xiàn)狀砌石結(jié)構(gòu)的整體性，也利用頂部連梁將護(hù)岸結(jié)構(gòu)的受力傳到至后排樹根樁上，進(jìn)一步提高護(hù)岸的抗滑穩(wěn)定性。同時(shí)，在鋼筋混凝土貼面結(jié)構(gòu)外表面的水上部分，采用了裝飾混凝土，具體為清水混泥土加造型模板的型式[2]，進(jìn)一步美化了河道，提升了水景觀。初擬的護(hù)岸加固改造方案斷面如圖3所示。

圖3 初擬護(hù)岸加固改造方案斷面圖（單位：mm）

4 加固方案復(fù)核及優(yōu)化

為保證加固改造后的護(hù)岸結(jié)構(gòu)能滿足預(yù)期的目標(biāo)，對(duì)加固后的護(hù)岸進(jìn)行了安全穩(wěn)定的復(fù)核，包括：由于貼面結(jié)構(gòu)束窄后的河道斷面行洪能力、樁基水平承載力及護(hù)岸整體穩(wěn)定。其中，樁基水平承載力根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3]計(jì)算。各項(xiàng)目典型斷面計(jì)算結(jié)果如表2所列。從計(jì)算結(jié)果可知各項(xiàng)數(shù)值均可滿足規(guī)范要求。

表2 加固后典型斷面護(hù)岸安全穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果一覽表

除以上各項(xiàng)總體安全復(fù)核之外，結(jié)合該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尚需對(duì)護(hù)岸頂部連梁及樁頂?shù)目箯澇休d力做進(jìn)一步復(fù)核。由于該結(jié)構(gòu)非完全懸臂，而是通過一貼面混凝土結(jié)構(gòu)將上部荷載傳遞至現(xiàn)狀護(hù)岸。結(jié)構(gòu)整體受力復(fù)雜，故采用有限元的計(jì)算方式，通過大型有限元計(jì)算軟件ANSYS建立整體三維模型，對(duì)各構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析[4]。根據(jù)連梁間距取3.0 m長(zhǎng)結(jié)構(gòu)段進(jìn)行計(jì)算，樁基及混凝土結(jié)構(gòu)采用理想的彈塑性本構(gòu)模型。樁前土作用采用彈簧進(jìn)行模擬，由于現(xiàn)狀護(hù)岸上部直立段距離樁基較近，故彈簧從下部斜坡段開始施加直至樁底。樁底部采用固定約束，模型兩側(cè)面均采用對(duì)稱約束，現(xiàn)狀護(hù)岸結(jié)構(gòu)底部為彈簧約束，貼面混凝土與護(hù)岸表面為滑動(dòng)摩擦接觸，各計(jì)算參數(shù)詳見表3所列，計(jì)算模型、結(jié)構(gòu)變形及護(hù)岸表面作用力計(jì)算結(jié)果如圖4~圖7所示。

圖7 護(hù)岸表面摩擦力圖

表3 計(jì)算參數(shù)取值一覽表

圖4 計(jì)算模型圖

根據(jù)ANSYS計(jì)算結(jié)果得到樁頂及連梁的最大彎矩值分別僅有5.86 kN·m及5.03 kN·m，同時(shí)頂部連梁產(chǎn)生了32.36 kN的拉力。該兩處彎矩較小是由于護(hù)岸表面為折線形狀，懸挑平臺(tái)及貼面混凝土垂直向下移動(dòng)的趨勢(shì)轉(zhuǎn)化為沿著護(hù)岸斜坡向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，即向下的同時(shí)還有向前的位移。由于護(hù)岸結(jié)構(gòu)幾乎不會(huì)發(fā)生向后的位移，懸挑平臺(tái)及貼面混凝土的豎向荷載將轉(zhuǎn)化為垂直于護(hù)岸斜坡面的壓力、平行于斜坡面的摩擦力及作用于后排樁基的水平拉力。雖然各構(gòu)件受力均滿足設(shè)計(jì)要求，但從計(jì)算結(jié)果可知，作用于現(xiàn)狀護(hù)岸表面的應(yīng)力最大超過了55.9 kPa。考慮到現(xiàn)狀護(hù)岸結(jié)構(gòu)較為薄弱，為盡量減少對(duì)它的影響，又在初擬斷面方案的基礎(chǔ)上于護(hù)岸前沿河底增加了一排間隔布置的方樁，并將樁頂導(dǎo)梁與貼面混凝土連接[5]，從而與后側(cè)樹根樁及頂部連梁一起形成一個(gè)框架，所有增加的荷載都將作用于前后排樁基而不再對(duì)現(xiàn)狀護(hù)岸產(chǎn)生影響。同時(shí)，由于河底增加的樁基同樣可以提高護(hù)岸結(jié)構(gòu)的抗滑及整體穩(wěn)定性，因此將后側(cè)樹根樁間距適當(dāng)放寬，從而盡量使得斷面優(yōu)化后的工程量不發(fā)生大的變化。優(yōu)化后的護(hù)岸加固改造方案斷面如圖8所示。

圖5 結(jié)構(gòu)變形圖

圖8 護(hù)岸加固改造優(yōu)化方案斷面圖（單位：mm）

5 結(jié)論

通過對(duì)徐州市區(qū)奎河上游段護(hù)岸現(xiàn)狀問題的分析，歸納得出了對(duì)現(xiàn)狀護(hù)岸進(jìn)行加固改造的必要性及設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。通過針對(duì)性的設(shè)計(jì)初擬了護(hù)岸加固改造方案，并根據(jù)對(duì)該方案的計(jì)算復(fù)核進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計(jì)。充分利用了樹根樁便于施工的特性及裝飾混凝土的景觀效果，以及利用有限元的計(jì)算手段進(jìn)行復(fù)核，最終得到了一種既能實(shí)現(xiàn)提高水安全及水景觀的目標(biāo)，又能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工條件，最大程度地減少對(duì)現(xiàn)狀構(gòu)筑物影響的護(hù)岸加固改造措施。該方案及方案的研究過程對(duì)類似工程具有一定的參考價(jià)值。