模袋混凝土護坡技術在雷州青年運河除險加固工程的應用研究

劉曉軍

(湛江市高遠工程咨詢有限公司，廣東 湛江 524000)

0 引 言

近年來，許多城市的運河原設計標準低、配套設施不完善、工程維護資金嚴重不足，經過數十年的運行，工程設施已經老化破損嚴重。特別是在汛期河道的防洪壓力驟增，給城市的經濟發展和生態環境建設帶來了極大的影響。河道治理加固除險往往需要建設護岸護坡工程。護岸工程使增加工程措施后的護岸得到防護，減少水土流失[1]。

普通混凝土護坡的重點和難點為圍堰工程。圍堰填筑施工時對水體污染大。水下施工難度大，拆除困難。水體較深，可能會對結構產生不利影響，并且實施難度較大，同時方案造價較高[2]。模袋混凝土護坡采用新型模袋建筑材料，實施過程中除整理平整護坡時影響少量水體外，灌漿和護坡平整等大部分工程措施均在水下進行，施工工期短，建設資金少，無需采取圍堰等臨時措施，對供水能力影響有限[3]。根據在雷州地區2015年的“鶴地水庫庫區水毀修復工程應急搶險工程”中均有采用模袋混凝土護坡對水下護岸進行加固，加固后運行情況較為良好。

文章以雷州青年運河的除險治理工程為研究背景，通過對現場的勘察，對場區的工程地質條件和不良地質現象進行評價，在梳理河道的問題現狀基礎上。通過模袋混凝土護坡技術對該河道進行護坡加固。以期探究模袋混凝土護坡與傳統護坡相比的優勢特色，為類似的護岸工程提升參考依據。

1 工程概況與河道問題現狀

雷州青年運河源于廣東湛江廉江市鶴地水庫。總干河長78km，另有四聯河、主運河、西海河、東運河、西運河等5條分支，全長271km。雷州青年運河以農業灌溉為主[4]。是解決雷州半島干旱面貌的重要水利基礎設施。

目前雷州青年運河河道主要存在以下問題：

1)工程設施已經老化破損嚴重，主運河渠道多處河段已出現內坡滑坡、坍塌、滲漏等險情，安全險患十分嚴重。

2)主運河仍存在多處安全隱患，特別是主運河共青壩段和平坡仔壩段險情尤為突出，一直以來都是處于工程帶病運行狀態。

3)經過運河的防汛安全檢查，發現主運河共青壩段和平坡仔壩段內坡滑坡塌方加重，外坡滲水漏水加劇，堤壩白蟻活動頻繁，蟻害非常嚴重，安全險患日益嚴重，隨時有潰壩風險，不但影響市區供水安全，且嚴重威脅周邊人民群眾生命財產安全[4]。

4)主河險工險段主要為平坡仔壩段和共青壩段兩段共900m，應亟需進行應急加固處理。

2 場地工程地質條件及問題評價

2.1 工程水文地質條件

區內地層主要為人工填土層(Q4ml)及第四系殘積層(Qel)，劃分為2層，現從上而下分述如下：

1)層素填土：松散，主要由黏性土組成，含少量砂粒，回填時間>10a，屬老填土。該層在場地內分布均勻，各孔均有分布，主要為運河壩體回填土，層厚0.90-7.50m，中等透水性。

2)層粉質黏土：硬可塑-硬塑為主，底部堅硬，黏性一般，以粉黏粒為主，含較多砂粒，局部含少量強風化巖碎塊。該層場地內分布均勻，各孔均有分布，層厚9.80-14.10m，層頂埋深0.90-7.50m，中等透水性。

各巖土層主要物理力學指標，見表1。

表1 各巖土層主要物理力學指標

擬建場地臨近的地表水為運河河水，地表水對擬建工程影響大。場地在的地下水類型主要為孔隙潛水，主要接受地表水及大氣降雨補給，場地內陸地鉆孔地下水穩定水位埋深平均3.06m，相應高程平均31.96m，略低于運河水位，表明收運河河水補給。地下水位受降雨量和蒸發量影響較大，地下水位年變幅約1-2m。

2.3 不良地質現象問題及評價

2.3.1 場地土評價

擬建場地原始地形較平緩，地貌簡單；存在厚度較大的人工填土。場區地基土屬中軟場地土，在鉆探深度內未發現新時期斷裂構造，地面未發現滑坡、坍塌、沉陷等不良地質現象。故場地穩定性一般，適宜本工程建設。

2.3.2 滲透穩定性評價

1)運河河堤滲漏及滲透穩定評價：運河運行以來年久失修，內坡混凝土護坡破壞嚴重，出現邊混凝土破裂、崩塌、沖毀等現象，導致內破滑坡塌方加重，堤岸滲流較大等，所以運河河堤存在滲漏問題。

2)運河巖土滲漏與滲透穩定評價：運河及堤基由①層素填土，②層粉質黏土等組成，①層素填土②層粉質黏土為中等透水層，均可能引起滲漏問題。

2.4 勘察總結評價

經過勘查，運河河岸工程老化，內破邊坡混凝土破裂、坍塌、沖毀，滲流量較大等，外坡滲水漏水加劇，其嚴重影響運河安全運行，主運河共青壩段和平坡仔壩段內坡滑坡塌方加重，外坡滲水漏水加劇，堤壩白蟻活動頻繁，蟻害非常嚴重，安全險患日益嚴重，隨時有潰壩風險。因此有必要對滲漏較大的河堤采取加固措施。可采用模袋混凝土對險段左右岸迎水面護坡進行加固或其他合適的方案對河堤進行加固處理。

3 綜合治理方案設計

3.1 模袋混凝土護坡優勢

模袋混凝土是通過用高壓泵把混凝土或水泥砂漿灌入模袋中，混凝土或水泥砂漿的厚度通過袋內吊筋袋、吊筋繩(聚合物如尼龍等)的長度來控制，混凝土或水泥砂漿固結后形成具有一定強度的板狀結構或其它狀結構，能滿足工程的需要[6]。土工模袋作為一種新型的建筑材料，可廣泛用于水利工程防護工程[7]。模袋混凝土護坡采用新型模袋建筑材料，實施過程中除整理平整護坡時影響少量水體外，灌漿和護坡平整等大部分工程措施均在水下進行，施工工期短，建設資金少，無需采取圍堰等臨時措施，對供水能力影響有限。

3.2 典型護坡斷面設計

項目區屬于近期規劃的主運河供水能力改造工程，主運河樁號K21+460-K21+860、K29+430-K29+930兩段共900m長河堤，滿足渠道過水要求，渠道無須加高，但沿線護坡均已破損，須重建混凝土護底護坡。進行內護坡加固處理，采用水下模袋混凝土護坡進行永久加固處理。

模袋混凝土護坡厚度為25cm，坡比根據現狀為1∶1.5，在原有護坡基礎上，清理渠道邊坡及渠底的破損混凝土板，然后用碎石包將崩塌淘空處填筑密實并整平。整平后應預留25cm模袋混凝土的厚度，確保不會縮小現有河道斷面面積，混凝土護坡建成后不會減少主運河過流能力[8]。模袋每20m設置一個隔離帶，每個隔離體之間互不相通，模袋按設計要求在工廠進行整片制作后現場連接。后由專業潛水員負責潛入水下把按照渠道寬度事先制作好的混凝土專用模袋固定在渠底及邊坡；模袋固定好后，使用長臂混凝土泵車將C30水下混凝土從模袋預留的灌入口，潛水員負責協助灌入混凝土，并使模袋貼緊渠道邊坡及渠底。一段模袋灌滿后再灌注下一段模袋。

3.3 模袋混凝土護坡厚度設計

根據《水利水電工程模袋混凝土技術規范》(標準編號T/CWEA 11-2020)，模袋混凝土護坡厚度可以根據附錄A推薦的公式計算下：

(1)

式中：δ為計算護坡厚度,m；C為面板系數，大塊混凝土護面，C取1.0；rc為混凝土的容重，kN/m3，取值24；rw為水的容重，kN/m3，取值9.81；Hw為計算波高，m，當d/L≥0.125，取H4%,當d/L<0.125,取H13%；d為堤前或岸坡前水深，m；波高根據《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)附錄C中計算；Lw為波長，m；波長根據《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)附錄C中計算；Lc為垂直于水邊線的護面長度，m；m為斜坡坡率，m取值1.5。

經計算δ≥0.16m，參照類似工程經驗及滿足施工要求，模袋混凝土護坡厚度為0.25m。

4 穩定性分析計算與監測

4.1 公式法抗滑穩定驗算

根據《水利水電工程模袋混凝土技術規范》(標準編號T/CWEA 11-2020)，模袋混凝土護坡抗滑穩定安全系數計算公式為：

(2)

式中：Fs為抗滑穩定安全系數，根據邊坡的建筑級別確定；L2為模袋混凝土斜坡段長度，m；L3為模袋混凝土底部水平段長度，m；α為坡腳；fcs為模袋混凝土與坡面間摩擦系數，應由試驗確定，無試驗資料時，初設階段可取0.5。

有關參數：平坡仔段混凝土斜坡長度L2平均10m長，底部水平段長度L3為3m，坡角為33.69°，則計算得到Fs=2.05；共青壩段混凝土斜坡長度L2平均10.5m長，底部水平段長度L3為3m，坡角為33.69°，則計算得到Fs=2.03。

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2020)，壩坡抗滑穩定最小安全系數，見表2，采用計及條塊間作用力方法時，壩坡抗滑穩定安全系數應表≥表2規定的數值，因此本次模袋混凝土護坡滿足抗滑穩定計算。

表2 壩坡抗滑穩定最小安全系數

4.2 有限元分析模擬驗算

PLAXIS巖土工程有限元分析軟件是用于解決巖土工程的變形、穩定性以及地下水滲流問題的通用有限元系列軟件。PLAXIS內置了許多土地本構模型土體本構計算模型，我們使用摩爾—庫侖模型(MC)作為模袋混凝土護坡的土體本構模型。

岸坡開挖護坡施工是一個土體不斷卸載、土體內應力、應變不斷重分布的過程，因此岸坡周圍一定范圍內的土體受力、變形均受土方開挖施工的影響，下邊界則需根據土層決定，一般選擇較堅硬、穩定性好的土層作為下邊界。因此二維計算模型的尺寸為100m×50m。

坡頂鍍鋅鋼管樁使用錨桿單元模擬、模袋使用結構實體單元模擬，設置常年水位32m。

兩斷面計算成果，見表3。模擬護坡最不利斷面在正常、暴雨、水文驟降的各工況穩定計算成果，根據計算成果可知，公式法計算結果與PLAXIS計算結果相似，模型合理可行。

表3 兩斷面計算成果

由表3可知，按照本設計加固后的堤防整體穩定在各個工況下均滿足要求，現狀堤防安全系數均在1.2以上。因此本次設計方案是合理、可行的。

4.3 監測分析

為檢測岸坡在模袋混凝土支護下的穩定性，對岸坡施工至竣備期間進行監測，達到指導安全施工開挖破線，核驗治理后岸坡穩定性的效果。以最不利斷面共青壩段K29+430-K29+930右岸坡為例，設置觀測項目：①坡頂鍍鋅鋼管樁位移監測JC1；②坡底JC2；③坡面每間隔3m個監測點自坡上而下為JC3-JC5，布設土體位移計。開挖期、支護期、穩定期累計發生最大位移，最大位移結果，見表4。

表4 最大位移結果

從監測結果來看，整體從開挖到護坡穩定結束后岸坡的變形均在30mm監測預警值內。開挖期間對坡頂的位移變形相對最大，這是以為你削坡使得坡頂岸坡卸荷對頂部土地牽引較大。護坡穩定后坡腳位移最大，是因為岸坡穩定后，逐漸對坡腳的堆載累積擠壓造成。

5 治理工程經濟評價

5.1 工程效益分析

本工程項目是以防洪為主要目標的純水利項目，屬于公益項目，主要產生的是社會效益，本項目其投入使用后將會有長遠的社會效益和環境效益[8]。

本項目總投資為992.57萬元，項目固定資產投資為868.85萬元。本項目采用多年平均供水效益計算，根據有關規定及參照類似工程項目，本項目多年平均供水效益為100萬元。

5.2 國民經濟評價指標計算

水利建設項目計算期包括建設期、運行初期和正常運行期。根據本工程的工作特點，水庫除險加固后即可投入正常運行。本水庫加固后正常運行期取30a。本工程總工期為6個月，建設期1a，計算期共31a，工程開工后第2年開始產生效益。計算基準年為開工的第1年。國民經濟評價指標計算3項：①經濟內部收益率EIRR=8.7%；②經濟凈現值(Is=8%)ENPV=53.19(萬元)；③經濟效益費用比(Is=8%)EBCR=1.05。由此可見，該工程的經濟內部收益率為8.7%，>社會折現率8%；經濟凈現值53.19萬元，>0；經濟效益費用比1.05，>1.0。所以該工程在國民經濟上是可行的。

6 結 論

文章通過對雷州青年運河平坡仔壩段和共青壩段的加固除險工程為研究點，綜合深入分析了除險段的工程現狀和工程地質條件后，根據現場條件和施工條件，綜合對比分析傳統護坡和模袋混凝土護坡模式，選用了模袋混凝土的護坡模式。同時對模袋護坡的典型斷面進行了設計，對厚度根據規范條件進行了計算，使用公式法結合plaxis有限元模擬驗算了抗滑穩定性滿足要求。結合監測數據印證了項目的安全可行性。經過國民經濟指標計算評價后，工程的經濟內部收益率為8.7%，>社會折現率8%；經濟凈現值53.19萬元，>0；經濟效益費用比1.05，>1.0。所以該工程可行。

文章在研究模袋混凝土護坡時，對于岸坡生態環境治理研究偏少，當下城市河道治理中除對除險加固要求外，往往河道承擔了提升城市生態環境職能，這是護坡工程今后研究的新重點方向。