珠江某河段堤防加固與除險工程設計實踐

楊 麗

(廣東宇源水利發展有限公司， 廣東 梅州 514000)

河段堤防加固與除險工程，涉及物理學、力學、工程學等多個學科專業，該項工程建設需要統籌考慮、兼顧歷史、因地制宜提出有效施工方案。同時，河道堤防加固與除險工程建設關系到人民生命財產安全，經濟快速發展，與廣大群眾利益息息相關，必須做好科學管理，加強堤防工程施工質量的管控工作[1-3]。本文以珠江某河段為例對堤防加固與除險工程進行設計研究。

1 堤防項目概況

1.1 項目現狀

本工程針對的是廣州市珠江堤岸防護工程(后航道某段堤防加固)位于某村，起點為某海鮮城，終點為涌水閘出口，屬于珠江后航道堤圍的一部分。共需整治堤段全長522 m (自編樁號LT0+000～LT0+522)。工程所在區段內為珠江一級階地，屬珠江三角洲沖積平原地貌單元。堤防設計等級1級，防洪標準為200 a一遇洪水。

該段現狀為漿砌石堤岸，西段170 m堤岸上為臨時停車場和公園，東段330 m岸上為環村南路，道路北側是村住宅區。舊堤外觀基本完整，堤線順直，堤頂高程3.3～3.5 m，已經達到設計標高。

一級平臺以下的擋墻坡度1∶0.2,立面結構基本完好，局部混凝土壓頂出現裂縫，砌石勾縫脫落；二級平臺高程在1.1～1.6 m，寬度在2.0 m左右，平臺多處因底部沉降出現裂縫。二級平臺以下的擋墻坡度為1∶0.4，坡腳為散拋石戶腳，然而因長年潮水沖刷掏蝕，多處形成歸塌、空洞，破損較嚴重，形成安全隱患，需要加固改造。需要對這段長約522 m的地段進行加固。

1.2 不良地質現象分析

本次河堤段堤長522 m堤身填土主要要素填土，堤峰為雙層結構，上部為淤泥質土或者淤泥質砂土，下部為中粗砂或砂質黏性土或者全風化混合巖。堤基上部為軟土，下部為砂性土、黏性土或基巖, 或者中下部為砂性土、黏性土、基巖的組合，D類堤段至少存在一種主要工程地質問題，堤段工程地質條件差，本次勘察區域內均有揭露。D類堤段長約522 m，占堤段總長的100%。

堤防未見較為明顯的變形破壞，堤外岸坡較為穩定，但在上部荷載作用下容易產生沉降變形、滑移或者側向擠出破壞。本段堤基至少存在一種主要工程地質問題，堤段工程地質條件差，本次勘察區域內均有揭露，在施工過程中可能出現抗滑穩定問題和沉陷問題。注意堤頂加載對堤身及堤基產生的不利影響，需要對地基進行加固處理[1-3]。堤身填土存在密實度不夠、滲漏、滲透穩定等問題；地震烈度為7°時，存在地震液化的風險；堤基存在滲漏和滲透變形的問題；由于砂層較厚，基坑開挖有可能產生管涌及滲透穩定問題。

根據本整治段的巖土工程特征和珠江水水頭變化特征，建議采用鉆孔灌注樁或預制樁，以巖層為樁端持力層。亦可采用高壓旋噴樁或水泥攪拌樁，對淤泥質土層及淤泥質砂層進行地基處理。 堤外擋墻、護岸結構等如果需要用樁基處理[4]。

2 堤防重設思路

2.1 現有堤岸穩定性復核驗算

(1)整體穩定性驗算。 舊堤改造結構整體穩定計算采用中國水科院的邊坡穩定分析程序STAB，應用瑞典圓弧滑動計算法。如表1，取樁號LT0+000、LT0+300、LT0+500所在的斷面，分別按四種工況進行計算。

工況一：設計水位2.68 m，水位驟降1 m，堤頂超載10 kN/m2。

工況二：多年平均低潮水位-0.59 m(施工期)，堤頂超載20 kN/m2。

工況三：多年高潮水位0.79 m驟降1.00 m，堤頂超載10 kN/m2。

工況四：歷史最低水位-1.64 m，堤頂超載10 kN/m2。

表1 舊堤整體穩定計算表

(2)基礎應力驗算及堤身扛傾、抗滑穩定計算根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)規定，堤身基礎應力驗算應用理正軟件進行計算[5-6]。分上下兩級堤防按上節四種工況進行計算，參數計算如下：

抗傾穩定計算，如式(1)：

(1)

式中：K0為抗傾穩定安全系數；Mv為抗傾覆力矩，kN·m；MR為傾覆力矩，kN·m。

抗滑穩定計算，如式(2)：

(2)

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；f為底板與堤基之間的摩擦系數；∑W為作用于墻體上的全部垂直力的總和，kN；∑P為作用于墻體上的全部水平力的總和，kN。

基底壓應力計算，如式(3)：

(3)

式中：σmax(min)為基底的最大或最小壓應力，kPa；G為垂直荷載，kN；A為底板面積，m2；M為荷載對底板形心軸的力矩，kN·m；∑W為底板的截面矩，m2·m。

由舊堤的計算成果表2可知，現有條件下，堤身的抗滑安全系數、抗傾安全系數是滿足規范要求的，在不同的運用工況下，基礎平均應力在30.14～61.84 kPa之間，地基應力最大值為86.28 kPa，小于修正后的地基容許承載力100 kPa，滿足承載力要求但由于地基情況較差，其整體穩定性不滿足規范要求。因此本次工程加固的重點是提高地基的整體穩定性，改善二級平臺砌石松散現狀[4]。

2.2 堤防加高驗算

堤頂高程按設計洪(潮)水位加堤頂超高確定。按式(4)計算：

Z=Zp+Y

Y=R+e+A

(4)

式中：Z為堤頂高程，m；Zp為頻率為p的設計洪(潮)水位，m；Y為堤頂超高，m；R為設計波浪爬高，m；e為設計風壅增水高度，m；A為安全加高，m。

根據本次設計規范要求，并結合廣州具體情況，根據珠江多年來的水位漲落特點以及珠江堤防整治經驗，與城市水景觀建設相協調，規劃調整堤頂超高值，堤頂超高采用0.5 m，設計高程取整為3.2 m。本次加固改造的該段堤岸，現狀高程在3.3～3.5 m，均已整治達到設計際高。

表2 一級平臺不利斷面計算成果表

2.3 初步加固方案

本工程整治長度為522 m,設計按照規范要求，同時結合廣州市具體情況，并根據珠江多年來的水位漲落特點以及珠江堤防整治經驗，與城市水景觀建設相協調，規劃調整堤頂超高值[7]。

二級平臺靠近漿砌石擋墻的一側，做寬400 mm,高500 mm的混凝土花槽，種植水生植物，以提高其生態性和美觀性[7]。保持原堤腳拋石頂高度，寬度4.1 m。在堤腳位置設置三排直徑0.6 m的旋噴樁，順堤線方向樁間距1.2 m，垂直底線方向樁間距1.5 m 布置，以提高堤岸的整體穩定性。在二級平臺下進行固結灌漿，單排間距2.0 m,灌漿到-1.0 m，提高二級平臺漿砌石擋墻的整體性。

3 加固斷面設計及穩定性驗算

3.1 加固斷面設計

根據本工程的堤岸現狀以及對堤岸穩定分析的情況，堤岸整治、加網方案在斷面形式上仍采而已經完成整泊堤岸的梯形斷面型式，根據不同段的現狀采取以下方案：

對一級平臺壓頂及墻面勾縫破損位進行修復，原有二級平臺的混凝土護面拆除200 mm，做新的C25鋼筋混凝土護面，并統一到1.40 m高程，原來水平臺以下的漿砌石擋墻，墻面鑿毛后，重新拋填塊石，坡度1∶2，然后在其上鋪設鋼筋網，新做厚度200 mm的C25鋼筋混凝土護面，提高抗沖刷能力。二級干臺靠近漿砌石擋墻的一側，做寬0.4 m，高0.5 m的混凝土花槽，種植水生植物，以提高其生態性和美觀性。堤腳部分設置拋石至原高程，寬度4.1 m。在堤腳位置設置直徑0.6 m的旋噴樁，樁底高程-16.9 m，順堤線方向樁間1.2 m，垂直底線方向樁間距1.5 m布置，以提高堤岸整體的穩定性，在二級平臺下進行一排深至-1.0 m的充填灌漿，間距2 m加強二級平臺砌石的整體性。

該方案維持了堤岸風格的一致性，又修復了已破損的原漿砌石擋墻，而且從根本上解決了原地段整體穩定性不足的問題，固結灌漿增強了砌石的整體性[7]。高壓旋噴樁具有成樁速度快、效率高、施工無振動、無噪音等優點；但是施工過程中容易造成水泥漿流失，污染環境。

3.2 穩定性驗算

新堤改造結構整體穩定計算采用中國水科院的邊坡穩定分析程序STAB，應用瑞典圓弧滑動計算法。取樁號LT0+000、LT0+300、LT0+500所在的斷面，如表3，分別按文中四種工況進行計算。

表3 新堤整體穩定計算表

由計算結果可知，加固后的新堤防能夠滿足規范規定的整體穩定性的要求。

4 堤防整體加固治理方案

4.1 地基處理設計

根據工程現狀及地質條件分析，堤防二級平臺處因底部沉降出現多處裂縫，破損較嚴重，故整治堤岸時預計在二級平臺處進行固結灌漿以提高其整體性，灌漿底高程為-0.1 m,灌漿注漿材料以水泥為主劑，水泥漿液水灰比為1.0∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1四個比級，視吃漿率的情況逐漸加濃，如需要灌注水泥砂漿，摻砂量不宜大于水泥重量的100%,注漿孔按2.0 m間距布置，灌漿孔徑為460.0 mm，孔深為2.2 m。注漿壓力由低到高緩慢逐漸增加，最大不超過0.2 MPa。

現狀堤防護腳為散拋石護腳，然而因長年湖水沖刷掏蝕，多處形成歸塌、空洞，破損較為嚴重。經計算，現狀堤岸的整體穩定性不能滿足要求。為了提高其整體穩定性，預計在距離拋石護腳手臺起點500 mm處打入三排直徑為600 mm的旋噴樁，樁底高程-16.9 m，順堤線方向樁間距為1.2 m，垂直堤線方向樁間距為1.5 m。經計算，旋噴樁打入后，復合地基土的等效內聚力為25.14 kPa，等效內除擦角為20.92°，地基土強度有了很大的提高，堤岸的整體穩定性已滿足安全要求。施工過程中，旋噴樁采用雙管高壓旋噴,要求樁身28 d齡期無側限抗壓強度不小于1.4 MPa，水泥采用P·O42.5級，水灰比為1.0∶1.5，每米水泥漿用量為30 kg[8]。

4.2 工程堤線選擇

本次河段長為522 m，利用現有堤岸線，因地制宜，堅持以下原則，采取工程措施，銜接前后堤段的結構；盡量少占地、少拆遷、少砍伐樹木，降低征地拆遷賠償費用；堤岸的改造要與前后段風格相一致；工程布置充分考慮生態環境保護和可持續發展的要求，與綠化景觀規劃相結合，力求與整體布置相協調。本次設計利用現有堤線，僅對局部破損位置進行適當的加固。

4.3 交叉建筑物銜接設計

該段堤岸交叉建筑物主要有地鐵線及隧道。根據收集到的資料，距該兩處一定范圍內，堤岸不允許打樁處理[9]。隧道位于該段堤岸的起始位置，為了不對其產生影響，選擇在距離其25 m范圍外開始打樁，即從樁號LT0+025開始打旋噴樁。地鐵線位于樁號LT0+300與LT0+400之間，根據地鐵公司提供的資料要求，預計在地鐵外結構線10 m之外打樁，這樣不會影響到地鐵的安全運行。

河涌兩岸采用圓弧段與新岸線順接，使其符合美觀、河道順接的條件。對于沿岸排水涵、管，由于堤岸施工時岸邊建設無法與珠江整治保持同步，因此原有排水管口尚應保留，設計中采用現澆混凝土箱、預制管將排水涵、管接至新堤邊。

4.4 觀測點設計

變形觀測包括水平和垂直位移監測。為達到變形觀測目的，設置觀測工作基點2個，布置在整治范圍內的堤頂鋼筋混凝土結構上。為保證工作基點的可靠性，在整治范圍外的固定地點布置水準基點2個。觀測工作點布置在二級平臺頂部，分別布置結構變化處。并在工程起點處，設置水位標尺一桿作為水位觀測點。

5 結 語

河道堤防與除險加固工程能夠防止堤防險情對人民生活造成影響，同時保證河流發揮經濟和社會效益；這是一項長期性、長效性、常態性工作，需要科學研究、合理施工。本文對珠江某河段的河道堤防與除險加固工程的深入展開了一套問題現狀分析、穩定性驗算復核、重新規劃設計的研究思路，為類似的堤防加固設計研究提供了創新性經驗。

同時河道河堤工程往往承擔了城市水系生態景觀的重要功能，本文在研究中堤防景觀設計方向較少，這也是今后堤防設計中的重要研究方向。