河道清淤過程中排樁對岸坡的支護作用研究

摘要：為了研究排澇河道清淤疏浚過程中排樁對岸坡的支護作用，以浙江溫瑞平原豐門排澇河道的清淤疏浚工程為例，進行室內試驗和數值模擬分析。研究結果表明：無排樁支護時，岸坡位移和開挖深度之間呈明顯的非線性關系，開挖超過0.50 m后，位移驟增，排樁支護不僅可以減小岸坡位移，還能有效抑制干砌石護坡的轉動。在開挖過程中，樁最大剪應力出現在河底附近，隨著開挖深度的增加，樁最大剪應力位置逐漸下移。排干水位和開挖都會使岸坡的穩定性降低，但排樁支護后的河道岸坡穩定性和位移均能滿足相關規范要求，說明該支護措施具備足夠的可靠性。研究成果可為排澇河道中排樁支護的設計、施工及運行管理提供參考。

關鍵詞：清淤開挖； 排樁支護； 樁剪應力； 岸坡穩定

中圖法分類號：TV8；TV882.8 文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.04.015 文章編號：1006-0081（2025）04-0077-07

0 引 言

近年來，洪澇災害成為世界范圍內分布最廣的自然災害之一［1-2］。臺風帶來的暴雨強度大、范圍廣［3］，能在短時間內匯集出富含土壤顆粒、泥沙的地表徑流，使得河底不斷沉積淤泥，嚴重影響排澇河道的泄洪能力，需對河道進行清淤疏浚［4-5］。為保證清淤開挖過程中岸坡的安全，常采用排樁對河道進行支護［6］。

目前，關于基坑開挖過程中排樁支護作用的研究較多［7-10］，如梁冠亭等提出使用抗滑樁支護Morgenstern-Price極限平衡法，而有關排澇河道開挖過程排樁支護作用的研究則鮮有提及。盡管排樁、擋墻等這類支護措施在河岸加固方面已經非常普遍，但河岸坍塌的情況仍屢見不鮮［11-14］。城市排澇河道周圍人居環境復雜，在清淤開挖過程中如果發生岸坡坍塌，將產生較大影響。浙江溫瑞平原豐門排澇河道周圍建筑荷載分布雜亂，河道斷面小，無法進行放坡開挖，有必要對河道清淤過程中排樁支護的作用進行研究分析。當前，針對排樁對河道岸坡支護作用的研究尚缺乏系統性，基于這一現狀，采用對比分析的方法，比較有排樁支護與無排樁支護2種狀態下清淤開挖行為對河岸坡位移和安全系數的影響，以此研究排樁對河道岸坡的支護作用。

1 工程概況

溫瑞平原是溫州中心城區所在地，是浙江省經濟發展重要地區，常受到臺風暴雨的影響，為洪澇災害易發區。溫瑞平原河流眾多，水系豐富（圖1），豐門河作為溫州境內最大河流甌江的重要支流，承擔著泄洪排澇的重要任務。

目前，許多河段淤泥阻塞嚴重，大大降低了河道的泄洪能力，故對河道底部進行清淤開挖工作（圖2）。開挖前在河道處采用30 cm×30 cm×1 000 cm的C30預制混凝土排樁支護。清淤方式為干挖法，開挖分為4層，每層0.25 m，總開挖深度為1.00 m，完成開挖后，恢復河道水流。研究分析中，建筑物結構安全等級取二級，岸坡抗滑穩定安全系數不應小于1.20，運行水平位移不大于50 mm［15］。

2 材料與方法

2.1 計算模型

2.1.1 非飽和土滲流數值模型

非飽和土的滲流計算方程［16］：

式中：K為非飽和土體的滲透系數；ks為飽和土體的滲透系數；α為與進入氣值有關的擬合參數，kPa-1；n，m為經驗擬合參數（或曲線性狀參數），m=1-1/n；ψ為土體的基質吸力，kPa。

土體基質吸力的大小受體積含水量的影響，一般采用VG模型來描述二者的關系［17］：

式中：θw為土體的單位體積含水量，%；θs和θr分別為土壤的飽和體積含水量和土壤剩余體積含水量，%。

2.1.2 穩定計算模型

飽和-非飽和土的抗剪強度可以采用修正的Mohr-Coulomb準則進行描述［18］：

式中：τf為破壞面上的剪應力，kPa；c′為土體的有效黏聚力，kPa；φ′為土體的有效內摩擦角，（°）；σn為條塊底面的法向應力，kPa；ua為孔隙氣壓力，kPa；uw為孔隙水壓力，kPa； χ為吸力參數，范圍為0～1.0，飽和土的χ為1.0，干土的χ為0。一般用安全系數來評定岸坡是否穩定［19］：

式中：Fs為安全系數；Sr為沿著某一可能的滑動面上每個條塊底部中心土體上抗滑剪力，kN；Sr=dτs，d為每個條塊的底面長度，m，τs為條塊底部中心土體上的抗滑剪應力，kPa;Sm為沿著滑動面上每個條塊底部中心土體上作用的下滑剪力，kN；Sm=dτm，τm為條塊底部中心土體上的下滑剪應力，kPa。

2.2 模型與參數

2.2.1 數值模型

采用Geo-studio有限元軟件建立河道岸坡穩定性的數值模型，貼近護坡的土體部分采用0.10 m的矩形網格，其余部分采用0.25 m的矩形網格，模型共有6 851個單元和7 022個節點，共定義了11個特征點，其中，A，B，C，D分別為護坡外壁的四分點；A1，B1，C1，D1分別為護坡內壁的四分點處；A2，B2，C2，D2位于A1，B1，C1，D1四點的正后方0.50 m處；A3，B3，C3，D3位于A1，B1，C1，D1四點的正后方1.00 m處；D，D1兩點為位移監測點，用于檢測最終位移。建筑荷載參考實際勘測資料，按照5層居民建筑設計，大小為91.5 kPa，分布長度為6.0 m，具體模型如圖3所示。

2.2.2 材料參數

2.2.2.1 物理力學性能參數

雜填土層夾雜著碎石塊石和混凝土渣，成分復雜，土質不均勻，在河道周圍（D1，D4，D5，D6）取樣，并采用圖4所示的三軸剪切試驗測定其有效黏聚力和有效內摩擦角，試驗結果如圖5所示，研究中所涉及的土（巖）體材料的物理力學性能如表1所示。

2.2.2.2 水力學參數

采用壓力板法測定雜填土的土水特征曲線，如圖6所示，再根據VG模型擬合得到土體體積含水量與基質吸力之間的關系，模型中巖土體材料的飽和滲透系數如表2所示。

3 結果分析

3.1 滲流分析

在開挖之前，先進行河道排水，排水持續24 h，排水完成后進行分層開挖，每層開挖歷經48 h，河道排水過程通過設置河道岸坡處的邊界水頭-時間函數來模擬，開挖過程通過移除開挖區域的材料屬性來模擬（圖7），通過seep/w模塊計算得到河道排水和開挖過程中岸坡特征點的孔壓變化（圖8）。

由圖8可以看出，在排水和開挖過程中，A1，B1，C1，D1的孔壓表現出了明顯的減小趨勢，這是因為排干河水和開挖都會引起岸坡土體的孔隙水向河道滲流補給，導致孔隙水壓力減小。相比之下，B2，C2，D2三點的孔壓只表現出了稍許下降，下降程度遠不及A1，B1，C1，D1這些特征點。A2，A3，B3，C3，D3的孔壓曲線基本呈水平線，表明當特征點到護坡的距離超過1.0 m時，土體孔壓基本保持不變，意味著在排干河水和清淤開挖過程中，岸坡的水分場變化始終未超過1.0 m。

3.2 岸坡位移分析

利用sigma/w模塊中的耦合應力/孔隙水壓力類型計算開挖時的岸坡位移和排樁應力變化，通過替換排樁位置的材料屬性來模擬排樁的支護過程。有支護樁和無支護樁2種工況下，護坡坡面特征點和岸坡上方地面特征點的水平位移隨開挖深度的變化見圖9。

由圖9（a）可以看出，隨著開挖深度的增加，護坡特征點的水平位移逐漸向河道臨空方向增大。在沒有排樁支護的情況下直接進行開挖，開挖深度小于0.50 m時，護坡的水平位移增長并不明顯；開挖深度大于0.50 m時，水平位移開始驟增，開挖完成后護坡的最大水平位移達到了13.71 cm，遠遠超過所規定的位移量，不滿足工程安全要求。排樁支護使護坡的最大水平位移由直接開挖時的13.71 cm減至0.82 cm，最大水平位移差由直接開挖時的5.01 cm減至0.29 cm，位移差代表著護坡的轉動幅度，表明排樁支護不僅能有效減小開挖時岸坡整體的水平位移，還能有效抑制護坡的轉動。

由圖9（b）可以看出，隨著開挖深度的增加，地面特征點的水平位移逐漸增大，且距離河道越近的地方，水平位移越大，開挖深度0.50 m仍然是水平位移快速增長的起點。采用排樁支護以后，地面的最大水平位移由直接開挖時的8.72 cm減至0.61 cm，最大水平位移差由直接開挖時的8.20 cm減至0.38 cm，表明在有排樁支護條件下，開挖過程中的岸坡位移滿足要求。

在開挖過程中，有支護樁和無支護樁兩種工況下護坡坡面特征點和岸坡上方地面特征點的豎向位移隨開挖深度的變化如圖10所示。

由圖10（a）可以看出，有樁支護開挖時護坡的豎向位移明顯小于無樁支護開挖，前者的最大位移為7.32 cm，后者為0.22 cm。在開挖深度為0.50 ～1.00 m范圍內，護坡豎向位移的增長幅度明顯高于0～0.50 m的深度范圍，說明清淤開挖深度在0.50 m以上時，采用排樁支護非常有必要。由圖10（b）可以看出，距離河道越近的特征點，豎向位移越大；采用排樁支護以后，地面上的最大豎向位移由直接開挖時的8.33 cm減至0.31 cm，最大豎向位移差由直接開挖時的8.01 cm 減至0.30 cm，此處的位移差代表著河道上方地面的不均勻沉降，表明樁支護可以明顯減小清淤開挖時河道周圍地面的不均勻沉降。

綜合圖9和圖10可以看出，監測點的計算位移在實際監測位移范圍內，但是數值模擬的結果小于實測位移的平均值，證明了數值模擬的可靠性，同時也說明實際位移滿足工程要求。

3.3 排樁位移與應力分析

圖11為開挖時靠近建筑一側排樁的水平位移和豎向位移變化。可以看出，開挖過程中樁端的水平位移為正，樁身處出現負位移段，水平位移隨著開挖深度的增加而增大，開挖結束后，樁頂的最大位移為1.54 cm，樁底最大位移為0.18 cm，樁身處為0.12 cm，距離樁底5.0 m以上的樁段水平位移變化最為明顯。樁的豎向位移分布比較均勻，這表明開挖過程中排樁發生了一定程度的整體沉降，排樁最大豎向位移出現在開挖完成時的樁底處，位移值為0.16 cm。圖12為排樁剪應力隨開挖深度的變化。

從圖12可以看出，初始時的樁最大剪應力為198.83 kPa，當開挖深度為 0.25，0.50，0.75 m和1.00 m 時排樁最大剪應力分別增加至268.77，345.17，435.92 kPa和524.65 kPa，樁最大剪應力出現在河底高程對應的樁身處，說明隨著開挖深度的增加，最大剪應力位置會逐漸下移。

3.4 穩定性分析

在無樁支護和有樁支護兩種工況下，岸坡的穩定安全系數變化如圖13所示。可以看出，無排樁支護時，排水過程和開挖過程中岸坡的穩定安全系數分別減小了3.2%和19.0%，穩定安全系數始終小于規定的安全系數，說明當設計建筑荷載在未開挖的河道岸坡上方連續分布時，河道岸坡穩定性已經不滿足安全要求。有排樁支護時，排水和開挖過程中岸坡的穩定安全系數分別減小了5.3%和13.8%，穩定安全系數始終大于規定的安全系數，這說明在采用排樁支護以后，岸坡處于安全狀態。

作用于護坡的靜水壓力可以有效抵擋土壓力，形成特殊的“支護”，并且作用于河底的靜水壓力起到了壓腳作用，河水對維持岸坡穩定性是有利的，這也是圖13中排水導致岸坡穩定性下降的原因。在開挖過程中，起支護作用的河底淤泥層消失，原來的應力平衡狀態被打破，開挖面處的土體發生應力重分布甚至破壞，導致岸坡穩定性降低，所以在圖13中，開挖過程對岸坡穩定安全系數的影響要大于排水過程。

開挖過程中干砌塊石護坡的主要位移方式是剛性轉動，所以在無支護措施下直接進行開挖時，護坡最可能出現的破壞方式是隨著轉動角度的不斷增大而整體傾入河道。排樁的支護呈懸臂樁墻形式，河底以下的樁為約束段，河底以上的排樁為懸臂段，懸臂段所受的力為土壓力和靜水壓力的合力，清淤開挖過程增加了懸臂段的長度，所以排樁最大的剪應力發生在河底高程對應的樁身處，并且剪應力最大位移隨著開挖深度的增大而逐漸下移。

4 結 論

（1） 當岸坡土體的滲透性小時，排水和清淤開挖過程不會引起岸坡滲流場的大幅變化。

（2） 排樁支護能有效減小岸坡的位移和護坡的轉動角度并提高岸坡穩定性。就位移安全而言，開挖超過0.50 m后需要進行排樁支護，就岸坡安全系數而言，開挖之前就需要進行排樁支護。

（3） 樁的最大剪應力出現在河底附近的樁身處，最大位移出現在樁端。在采用排樁支護后，岸坡的位移和穩定性都能滿足相關要求，這說明當前的排樁支護方式足夠保證岸坡的安全。

本文依托實際工程，在現場勘測和室內試驗的基礎上準確真實地模擬了清淤開挖過程中排樁對岸坡的支護作用，通過對比實際勘測位移和計算位移，驗證了數值模擬的合理性。研究成果可以為排澇河道中排樁支護的設計、施工及運行管理提供參考。

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（編輯：張 爽）

Study on supporting effect of pile rows in river dredging process

CHEN Qiang JIANG Ning3，WAN Jun3，LI Juan3，HUANG Xiancong3

（1.School of Marine and Civil Engineering，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China； 2.School of Water Conservancy and Environment Engineering，Zhejiang University of Water Resources and Electric Power，Hangzhou 310018，China； 3.Wenzhou Lucheng District Water Conservancy Engineering Construction Center，Wenzhou 325088，China）

Abstract： To investigate the supporting effect of pile rows during the dredging and desilting process of drainage rivers，indoor tests and numerical simulation analyses were conducted based on the dredging and desilting project of the Fengmen drainage river in the Wenrui Plain，Zhejiang Province.The research found that：without pile row support，there was a significant non-linear relationship between the riverbank displacement and the excavation depth.After excavation depth exceeded 0.50 m，the displacement increased sharply.Pile row support can not only reduced the riverbank displacement but also effectively inhibited the rotation of the dry-laid stone revetment.During the dredging process，the maximum shear stress of the piles appeared near the river bottom，and as the excavation depth increased，the position of the maximum shear stress gradually moved downward.Both the lowering of groundwater level and excavation led to a decrease in the stability of the riverbank.However，the stability and displacement of the riverbank after pile row support met the relevant standard requirements，indicating that the support measures have sufficient reliability.The research results can provide a reference for the design，construction and operation management of row pile support in drainage rivers.

Key words： dredging and excavation； pile row support； pile shear stress； bank slope stability

收稿日期：2024-04-18

基金項目：浙江省水利廳科技計劃項目（RB2222）

作者簡介：陳 強，男，碩士研究生，研究方向為水利工程與巖土工程。E-mail：1562392063@qq.com

作者簡介：蔣 寧，男，高級工程師，碩士，主要從事水利工程與巖土工程方面的研究。E-mail：bryant173@163.com

引用格式：陳強，蔣寧，萬俊，等.河道清淤過程中排樁對岸坡的支護作用研究［J］.水利水電快報，2025，46（4）：77-83.