湖區(qū)灌區(qū)渠堤波浪樁支護的設計及優(yōu)化研究

彭 志，何賢駿，劉政宏，鄧瑾暉

(漢壽縣西湖灌區(qū)管理局，湖南 常德 415990)

0 引言

由于湖區(qū)堤垸內(nèi)的平坦地勢，為了實現(xiàn)自流灌溉，需要在高出地面的渠道上修建渠堤。渠堤的正常運行至關重要，不僅保障灌區(qū)的灌溉和排澇需求，也確保了垸區(qū)居民的生命財產(chǎn)安全。然而由于常年的水流淘刷，渠提提坡通常在堤腳位置形成陡坎，從而導致提坡的失穩(wěn)崩塌，威脅到渠堤的安全運行。因此，對于渠堤堤坡采取防護措施是非常必要的。

目前，常見的渠堤支護形式有漿砌石或混凝土重力式擋土墻、拋石支護和賓格阻腳等。本文所涉及的波浪樁是一種截面呈半圓鼓形的新型預應力混凝土構件，屬于抗滑樁的一種。波浪樁常用于水利護坡護岸、景觀河道改造、航道支護等工程，具有環(huán)保、節(jié)能、綠色、耐久等多種優(yōu)點。由于波浪樁具有可提前預制、強度高、施工方便、效率高，質(zhì)量可控性較強等特點，對湖區(qū)灌區(qū)的淤泥質(zhì)地基適應性較強，可以通過不同的平面組合布置，沿水流方向首尾相接，可以做成M型或S型，構造出各式各樣的造型以滿足水景觀的設計要求[1-4]。

目前國內(nèi)針對波浪樁的研究及應用主要有以下幾個方面：劉永利采用波浪樁在沂河北島生態(tài)安全修復工程采用M型構件進行施工，得到了良好的應用[5]；郭英針對黑龍江極寒地質(zhì)條件以黑龍江干流堤防工程為實際背景，采用波浪樁的鉆孔和沉樁設備進行選型，選定長螺旋鉆機和高頻振動錘這個最優(yōu)方案，完美解決了斷樁和沉樁不足等問題，為黑龍江寒地條件同類工程提供借鑒[6]；王靜以上海市朱家角華為人才公寓配套河道治理工程為應用背景，通過施工質(zhì)量評定分析了波浪樁的優(yōu)缺點，為波浪樁的應用提供明確的支撐[7]；閆彭彭以望江縣幸福河流域某堤防工程對環(huán)境、投資等多方面進行分析，并對比重力式擋土墻等不同的方案，利用AutoBank軟件對該條件下的工況進行穩(wěn)定性分析，驗證了波浪樁的安全可靠[8]；劉永利[5]和逄雅萍[9]分別在安全生態(tài)修復工程和孝婦河分洪河道治理工程，根據(jù)其項目的不同特點同樣對施工工藝進行優(yōu)化；袁肇彥[10]研究了廣東臺州市新昌水波浪樁，得到波浪樁在波浪荷載作用下位移呈非線性變化，先增大后減小，在地震荷載作用下加速度和位移都隨之增大，振幅響應較大，能響應0.5～2.5g的加速度；王元戰(zhàn)建立水體和樁基礎相互作用的三維有限元模型，運用改進的進Morison波浪力計算公式進行了驗證。給出了考慮耦合效應的波浪力放大系數(shù)圖表，提出了簡化計算方法[11]。已有的研究大多數(shù)主要針對波浪樁在實際工程中的應用效果分析評價或者簡單運用有限元對工況進行穩(wěn)定性分析或者是對打樁過程中應力等因素進行分析，缺乏對波浪樁應用工藝總結和利用有限元軟件對樁的穩(wěn)定性和彎矩、變形等參數(shù)，并根據(jù)不同的工況得到不同設計尺寸等進行研究[12-19]。

本文借鑒國內(nèi)波浪樁支護方案的研究經(jīng)驗，以漢壽縣西湖灌區(qū)干渠治理工程為依托，綜合考慮項目區(qū)實際工程地質(zhì)條件、施工條件及工程投資等因素，選取波浪樁作為西湖灌區(qū)干渠渠堤支護措施，并采用極限平衡法在考慮不同設計樁長下對渠堤堤坡抗滑穩(wěn)定性的影響進行計算和分析，根據(jù)計算結果優(yōu)化波浪樁支護方案，以期為同類型的渠堤整治工程設計提供參考。

1 渠堤邊坡支護方案比選

西湖灌區(qū)主要是通過涵閘穿堤建筑物等與外河連通的水利工程調(diào)節(jié)水量、控制水位，實現(xiàn)灌排兩用，是一個以灌排為主，提引結合的圩垸型大型灌區(qū)。由于西湖灌區(qū)干渠工程所處地層的孔隙水相對較豐富，主要處于粘性土等不良地段，因此渠堤塌岸和坍塌等險情時有發(fā)生。針對本工程項目特點，考慮以下3種支護方案進行比選：

(1)方案1：剛性擋墻支護。優(yōu)點：剛性擋墻支護具備出色的抗沖刷性和耐久性，并且易于施工。缺點：剛性擋墻支護的基礎變形適應能力不足，環(huán)保性也存在問題。由于施工時需要建造圍堰，且施工技術要求較高，因此施工條件比較苛刻，而且還需要大量塊石。

(2)方案2：柔性擋墻支護。優(yōu)點：環(huán)保性能好，適應基礎變形能力強。缺點：耐久性不夠強，穩(wěn)定性一般，同時面對變形的能力較差，不能很好地保持外形邊界，且施工時需要修筑圍堰。

(3)方案3：抗滑樁支護。優(yōu)點：施工時不需要修筑圍堰，可常年施工，具有出色的耐久性和防沖刷效果。缺點：由于施工需要專業(yè)團隊和專用機械工具，因此施工場地要求比較高，只適用于土質(zhì)地基，巖基或質(zhì)地較硬的土層無法施工。綜合考慮項目區(qū)實際工程地質(zhì)條件、施工條件和工程投資等多方面因素，設計采用M型波浪樁作為西湖灌區(qū)干渠渠堤的支護措施，如圖1所示。

圖1 波浪樁平面布置形式(M型)

2 渠堤穩(wěn)定性分析

2.1 渠堤穩(wěn)定性分析計算模型

本次分析的典型斷面選取總干坡頭泵站段左岸渠堤斷面，如圖2所示。該段渠堤建筑物級別為3級，堤頂高程31.00m，堤頂寬度4m，內(nèi)坡坡比為1∶2.0，外坡坡比為1∶2.5，堤坡已采用草皮護坡，內(nèi)坡坡腳受水流淘刷嚴重，已形成陡坎。該段渠堤堤身為人工素填土，堤基為多層結構，由粉質(zhì)粘土、粉細砂、砂礫石、全風化泥灰?guī)r構成，各地層主要物理力學性質(zhì)指標見表1。

表1 西湖灌區(qū)總干坡頭泵站段渠堤各地層主要物理力學性質(zhì)指標

圖2 波浪樁支護典型橫斷面設計圖

根據(jù)地質(zhì)勘探的結果，按照現(xiàn)場所取原狀樣的室內(nèi)土工試驗及現(xiàn)場注水試驗結果，綜合渠堤建設和運行管理情況，將渠堤計算斷面分別劃分為5個分區(qū)，幾何單元采用6節(jié)點三角形單元劃分模型網(wǎng)格，如圖3所示為渠堤橫斷面的分區(qū)和網(wǎng)格劃分。

圖3 渠堤穩(wěn)定計算分區(qū)

2.2 堤坡穩(wěn)定的極限平衡法

極限平衡法是根據(jù)斜坡上的滑體或滑塊的力學平衡原理(即靜力平衡原理)分析斜坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)，以及斜坡上的抗滑力與下滑力之間的關系來評價斜坡的穩(wěn)定性。

由于其力學模型簡單，故已應用于大量的工程實踐中，積累了豐富的實際經(jīng)驗，而且有規(guī)范的指導。目前是占主導地位的一種分析方法，但由于該方法沒有考慮到土體的應力-應變性質(zhì)，不能求出失穩(wěn)時土體內(nèi)部各處的應力和應變，所求得的安全系數(shù)也只能反映已假定滑面(包括位置和形式)上的大小，并不能反映土坡的破壞機理。所以，采用這種方法求出的是一種綜合性近似解答。

2.3 不同設計樁長對渠堤穩(wěn)定性影響分析

為研究不同設計樁長對渠堤內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定性的影響，通過有限元計算軟件計算求出未支護前渠堤堤坡潛在滑動面位置，在考慮波浪樁懸臂段長度均為1m的情況下，分別采用2、3、4、5、6、7、8m共計7種設計樁長，對應樁底嵌入潛在滑動面的深度分別為0、0、1、2、3、4、5m。各計算工況的水位邊界條件均為渠道最高運行水位32.00m降落至最低運行水位28.00m，降落時間為3d。各計算工況下的堤坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)見表2、如圖4所示。

表2 不同設計樁長下的堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算結果

圖4 堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與設計樁長的關系

綜合分析以上計算結果，可以看出：

(1)渠堤堤坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨著波浪樁設計樁長的增大而持續(xù)升高，表明采取波浪樁支護方案可以有效提高渠堤的穩(wěn)定性。

(2)當波浪樁樁底未嵌入堤坡潛在滑動面時，隨著設計樁長的增大，堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的增幅不明顯；當波浪樁樁底嵌入堤坡潛在滑動面后，樁身利用滑動面下伏穩(wěn)定地層巖土的錨固作用可對滑動體提供水平支撐力，堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)出現(xiàn)明顯升高；當樁底嵌入潛在滑動面的深度與設計樁長之比達到0.40時，堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)即可滿足規(guī)范要求(K≥1.20)；當樁底嵌入潛在滑動面的深度與設計樁長之比大于0.40后，堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的增幅減小，繼續(xù)增加設計樁長對提高渠堤穩(wěn)定性的意義不大。

3 結語

波浪樁是一種截面呈半圓鼓形的新型預應力混凝土構件，屬于抗滑樁的一種，適用于水利護岸護坡、景觀河道改造、航道支護等工程，具有環(huán)保、節(jié)能、綠色、耐久等多種優(yōu)點。本文采用波浪樁作為漢壽縣西湖灌區(qū)干渠渠堤支護措施，并根據(jù)渠堤堤坡抗滑穩(wěn)定性計算成果，優(yōu)化了支護方案，可為同類型渠堤整治工程提供了有益的參考和指導。

本文重點研究了波浪樁支護方案對渠堤堤坡抗滑穩(wěn)定性的影響，但未深入探討波浪樁支護方案設計和施工過程中所涉及的技術性問題。因此，未來應更加關注波浪樁支護結構設計與施工關鍵技術等方面的研究，充分掌握其優(yōu)化與完善的方法，以提高其在不同工程實踐中的應用效果。