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      福建莆田木蘭溪防洪工程白塘段灘地及河道整治方案探討

      2020-08-17 03:11:54陳瑞椿
      陜西水利 2020年5期
      關(guān)鍵詞:護(hù)腳主槽河床

      陳瑞椿

      (莆田市萩蘆溪水電管理處,福建 莆田 351100)

      1 白塘段工程簡(jiǎn)況

      莆田市木蘭溪防洪工程白塘段堤防工程起于木蘭溪下游涵壩水閘(起點(diǎn)樁號(hào)BT0+000),止于寧海橋上游570 m(止點(diǎn)樁號(hào)BT2+650.73)處[1]。白塘段主槽整治范圍為涵壩水閘外引港末端至寧海橋段,整治岸線長(zhǎng)2650.73 m(樁號(hào)BT0+000.0~BT2+650.73)[1],其中樁號(hào) BT0+000.0~BT0+172.41 段涵壩水閘外引港護(hù)岸段工程量及投資已在木蘭溪下游三期荔涵段防洪工程中計(jì)列,實(shí)際需要整治主槽岸線長(zhǎng)2478.32 m。

      白塘段防洪工程位于舊河道,主槽岸坡平均流速大于2.0 m/s,左岸易受水流沖刷。位于河道彎道的鎮(zhèn)前左岸(樁號(hào)BT1+092.89~BT2+120.47)(見圖1)凹岸河槽在小洪水作用下,沖刷坑深2.0 m左右,在50年一遇洪水作用下,最大沖刷坑深3m~4m。地質(zhì)勘測(cè)資料顯示,本工程范圍內(nèi)河道主槽邊坡多為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥,凹岸沖刷段河道主槽現(xiàn)有天然土層無法滿足抗沖要求,主槽需進(jìn)行防沖護(hù)砌。

      2 主槽水流頂沖段防沖方案

      2.1 方案選定

      白塘段鎮(zhèn)前段(樁號(hào)BT1+092.89~BT2+120.47)為水流頂沖段。設(shè)置丁壩是常用的處理水流頂沖的措施之一,但設(shè)置丁壩對(duì)河勢(shì)影響較大。木蘭溪下游河道斷面平均流速一般大于2.0 m/s,設(shè)置丁壩后可能解決了其下游一定河段內(nèi)的沖刷問題,但可能將主流挑至對(duì)岸,水流紊亂、流態(tài)復(fù)雜,給對(duì)岸或上游河段帶來新的沖刷問題。采用單一拋石,由于每塊拋石都是松散體,河床掏刷成溝槽后,松散的石塊坍落入溝槽,拋石護(hù)腳將最終失效。

      根據(jù)現(xiàn)狀堤外灘地地形和感潮河段的施工條件,河道主槽護(hù)岸岸頂高程確定為4.0 m,坡腳高程為0.50 m,主槽岸坡高程0.5 m~4.0 m范圍采用孔洞率約30%~40%的聯(lián)鎖式大塊型生態(tài)混凝土砌塊護(hù)砌,面層生態(tài)混凝土砌塊厚150 mm,孔洞內(nèi)回填碎石,下層鋪設(shè)200 mm厚度碎石墊層和350 g/m2反濾土工布。根據(jù)河段水文、地形地質(zhì)條件,結(jié)合主槽護(hù)岸邊坡穩(wěn)定情況,對(duì)護(hù)岸的護(hù)腳防沖結(jié)構(gòu)和邊坡加固方式擬定三種方案進(jìn)行比選。

      (1)方案一:護(hù)腳軟體排防沖+邊坡水泥攪拌樁加固。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床采用C25混凝土預(yù)制塊軟體排防沖處理,軟體排展開長(zhǎng)度40.0 m。河床受洪水沖刷后形成較深的沖刷坑,經(jīng)計(jì)算,天然地基主槽邊坡雖基本穩(wěn)定,但無法達(dá)到規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定要求。為保護(hù)主槽岸坡的穩(wěn)定,在坡頂布置Ф600 m水泥攪拌樁加固,共3排,樁距為1.0 m,梅花型布置,樁身穿透淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,樁端置于砂卵石或粉質(zhì)粘土層上。見圖2。

      圖2 護(hù)腳軟體排防沖+邊坡水泥攪拌樁加固方案斷面圖

      (2)方案二:護(hù)腳拋填塊石+面層合金網(wǎng)兜防沖。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床拋填塊石,拋石體面層采用合金網(wǎng)兜石防沖處理。合金網(wǎng)兜采用特種合金材料制成兜狀,鋼絲直徑2.0±0.05 mm,內(nèi)裝塊石,單個(gè)石兜重約1 t,攤鋪后平均厚0.45 m。由于凹岸河床現(xiàn)狀底面高程較低,主槽岸坡高程0.5 m~-3.5 m之間仍為1∶5.0~1∶8.0的斜坡,根據(jù)主槽邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果,河床沖刷形成深坑后,天然地基主槽邊坡雖基本穩(wěn)定,但無法達(dá)到規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定安全要求。為保護(hù)主槽岸坡的穩(wěn)定,在主槽岸坡坡腳高程0.5 m布置15.0 m寬的反壓平臺(tái),因此,河床拋填塊石的寬度在20 m以上。見圖3。

      圖3 護(hù)腳拋填塊石+面層合金網(wǎng)兜防沖方案斷面圖

      (3)方案三:護(hù)腳軟體排防沖+坡腳灌注樁加固。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床采用C25混凝土預(yù)制塊軟體排防沖處理,軟體排展開長(zhǎng)度30.0 m,河床沖刷后形成較深的沖刷坑,經(jīng)計(jì)算,天然地基主槽邊坡雖基本穩(wěn)定,但無法達(dá)到規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定安全要求。為保護(hù)主槽岸坡的穩(wěn)定,在岸坡靠近坡腳位置布置Ф1000@1200 mm鉆孔灌注樁連續(xù)墻加固,以減小圍護(hù)樁承受的荷載,縮短樁長(zhǎng)。由于受到潮汐影響,圍護(hù)樁位置以盡量延長(zhǎng)施工時(shí)段考慮,施工平臺(tái)高程約為2.5 m,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)20.0 m,樁端進(jìn)入砂卵石層。見圖4。

      圖4 護(hù)腳軟體排防沖+坡腳灌注樁加固方案斷面圖

      以上三種護(hù)岸結(jié)構(gòu)的可比工程量及投資比較成果(以15 m長(zhǎng)作為一個(gè)計(jì)算單元)見表1。

      經(jīng)比較,方案一和方案二工程投資相當(dāng),方案三投資最高,且遠(yuǎn)大于方案一和方案二。方案二采用護(hù)腳拋填塊石+面層合金網(wǎng)兜石護(hù)面,雖然合金網(wǎng)石兜采用特種合金材料使單個(gè)相互獨(dú)立的小塊石形成整體,“以小拼大”成大體積塊體,具有抵抗高速水流防沖作用。但是,木蘭溪河道河床表層為深厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層,凹岸水流作用下,河床可能形成3 m~4 m深的沖刷坑,臨河床側(cè)面層合金網(wǎng)兜及其下部的拋填塊石體會(huì)隨著沖刷坑的發(fā)展塌落,下部拋填塊石裸露,受到水流常年沖刷影響,拋石體逐漸流失,護(hù)腳平臺(tái)寬度縮小,或?qū)⑽<爸鞑圩o(hù)岸邊坡的整體穩(wěn)定,日常運(yùn)行管理時(shí),須對(duì)護(hù)腳拋石體的變化加強(qiáng)監(jiān)測(cè),必要時(shí)及時(shí)采取補(bǔ)拋加固處理,工程運(yùn)行維護(hù)成本高。因此,推薦方案一“護(hù)腳軟體排防沖+邊坡水泥攪拌樁”方案。

      表1 主槽凹岸護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式比較表

      2.2 堤防及主槽邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

      堤防邊坡抗滑穩(wěn)定按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)附錄F中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

      (1)本工程土堤堤基土層相對(duì)均勻,土堤的失穩(wěn)破壞形式為圓弧滑動(dòng),土堤抗滑穩(wěn)定采用瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為:

      式中:Ks為計(jì)算安全系數(shù);C為滑動(dòng)面的凝聚力,kPa;L為滑弧總長(zhǎng),m;r為土的密度 kN/m3;bi,hi為土條的寬度和高度,m;W為土條重量,kN/m,W=r×bi;ai為土條弧邊的弦與水平線夾角度,°;φ 為土的內(nèi)摩擦角度,°。

      (2)土堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況分為正常情況和非常情況。

      ①堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算

      正常運(yùn)用條件為:

      工況1:設(shè)計(jì)洪水工況,木蘭溪河道水位為P=2%設(shè)計(jì)洪水位,計(jì)算堤防背水坡的抗滑穩(wěn)定。

      工況2:驟降工況,木蘭溪河道水位從P=2%設(shè)計(jì)洪水位驟降3.0 m,計(jì)算迎水坡的抗滑穩(wěn)定。

      非常運(yùn)用條件為:

      工況3:施工期,木蘭溪河道為低潮位-1.0 m,堤后北洋河網(wǎng)正常水位為3.70 m,計(jì)算堤防迎水坡、背水坡的抗滑穩(wěn)定。

      ②主槽護(hù)岸邊坡穩(wěn)定計(jì)算

      正常運(yùn)用條件為:

      工況1:驟降工況,潮水位6小時(shí)內(nèi)從灘地高程3.5 m驟降至-1.0 m,計(jì)算主槽岸坡的抗滑穩(wěn)定。

      非常運(yùn)用條件為:

      工況2:施工期工況,木蘭溪河道低潮位-1.0 m,堤后北洋河網(wǎng)正常水位為3.70 m,計(jì)算主槽岸坡的抗滑穩(wěn)定。

      ③堤防及主槽護(hù)岸邊坡穩(wěn)定計(jì)算

      正常運(yùn)用條件為:

      工況1:驟降工況,木蘭溪河道水位從P=2%設(shè)計(jì)洪水位驟降3.0 m,計(jì)算堤防及主槽岸坡的整體抗滑穩(wěn)定。

      工況2:驟降工況,潮水位6 h內(nèi)從高程3.5 m驟降至-1.0 m,計(jì)算堤防及主槽岸坡的整體抗滑穩(wěn)定。

      非常運(yùn)用條件為:

      工況3:施工期,木蘭溪河道低潮位-1.0 m,堤后北洋正常水位為3.70 m,計(jì)算堤防及主槽岸坡的整體抗滑穩(wěn)定。

      (3)計(jì)算成果

      根據(jù)地質(zhì)土層分布情況及巖土的物理力學(xué)指標(biāo),場(chǎng)地土存在有較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,軟土抗剪強(qiáng)度低、承載力低,易變形,呈高壓縮性,存在抗滑穩(wěn)定問題,堤基工程地質(zhì)條件差。本次 分 別 選 取 樁 號(hào) BT0+250.00、BT1+300.00、BT2+000.00 和BT2+500.00等幾個(gè)典型斷面進(jìn)行邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算。堤身夯填粘性土計(jì)算指標(biāo)根據(jù)料場(chǎng)勘探成果,結(jié)合上游已建堤段的堤身填土經(jīng)驗(yàn)確定,即飽和快剪Cq=23 kPa,Фq=16°;飽和固快Cq=16 kPa,Фq=20°。

      ①堤防邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

      在主槽岸坡穩(wěn)定的情況下,計(jì)算天然地基條件下的堤防迎水坡、背水坡各工況抗滑穩(wěn)定成果見表2。

      表2 堤防邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果(不考慮主槽岸坡穩(wěn)定情況的天然地基)

      由表2計(jì)算成果可知,在主槽岸坡穩(wěn)定的情況下,計(jì)算天然地基條件下的堤防迎水坡、背水坡各工況抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

      ②主槽護(hù)岸邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

      白塘段整治后的主槽岸坡坡比為1∶5.0,坡頂高程為4.0 m,坡腳高程為0.50 m,高程0.50 m以下河床按照現(xiàn)狀地形采用C25混凝土預(yù)制塊軟體排進(jìn)行鋪底防沖處理,護(hù)岸邊坡穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核河床受水流作用并形成沖刷坑后的整體抗滑穩(wěn)定情況。本次選取樁號(hào)BT0+250.00和BT1+300.00兩個(gè)斷面,計(jì)算主槽護(hù)岸在天然地基條件下的邊坡抗滑穩(wěn)定,成果見圖5、圖6及表3。

      圖5 工況一主槽護(hù)岸樁號(hào)BT0+250.00斷面邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖(天然地基)

      圖6 工況一主槽護(hù)岸樁號(hào)BT1+300.00斷面邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖(天然地基)

      表3 主槽護(hù)岸邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果(天然地基)

      為保護(hù)主槽護(hù)岸的穩(wěn)定,在“主槽護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式比選”中確定采取Ф600 mm深層水泥攪拌樁對(duì)主槽岸坡進(jìn)行加固,樁距為1.0 m,梅花型布置,共3~4排,面積置換率為32.6%。水泥攪拌樁設(shè)計(jì)水泥摻量為17%,樁身抗壓強(qiáng)度按1.0 MPa計(jì)算,推算水泥攪拌樁樁身抗剪強(qiáng)度C=250 kPa,內(nèi)摩擦角φ=25°,加固后的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層綜合抗剪強(qiáng)度C=92 kPa,內(nèi)摩擦角φ=10.6°。

      主槽岸坡采用Ф600 mm深層水泥攪拌樁加固處理后,邊坡抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。加固后各工況主槽護(hù)岸邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見圖7、圖8及表4。

      圖7 工況一主槽護(hù)岸樁號(hào)BT0+250.00斷面邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖(岸坡加固處理后)

      圖8 工況一主槽護(hù)岸樁號(hào)BT1+300.00斷面邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖(岸坡加固處理后)

      表4 主槽護(hù)岸邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果(主槽護(hù)岸岸坡加固處理后)

      ③岸整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

      根據(jù)白塘段堤防及主槽護(hù)岸工程布置及選定的主要建筑物結(jié)構(gòu)型式,整治后的主槽岸線距離堤軸線18 m~55 m,灘地寬度9 m~45 m,其中主槽護(hù)岸樁號(hào)HA0+000.00~HA0+264.94和HA1+453.17~HA2+992.41段灘地寬度較窄,僅9 m~25 m,其余段灘地寬度為25 m~45 m。本次計(jì)算對(duì)主槽護(hù)岸采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固的工程段,分別選取樁號(hào)BT0+250.00和BT1+300.00斷面進(jìn)行整體邊坡抗滑穩(wěn)定復(fù)核。

      在堤基為天然地基條件下,計(jì)算堤防及主槽護(hù)岸整體邊坡抗滑穩(wěn)定成果見圖9及表5。

      圖9 工況二樁號(hào)BT0+250.00斷面堤防及主槽護(hù)岸邊坡整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖(主槽岸坡加固處理,堤基為天然地基)

      表5 堤防及主槽護(hù)坡整體邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果(堤基為天然地基)

      由表5可知,主槽護(hù)岸采用水泥攪拌樁加固后,因樁號(hào)BT1+300.00斷面所處位置灘地較寬,堤防及主槽岸坡整體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求;而樁號(hào)BT0+250.00斷面所處位置灘地較窄,在潮水位從3.50 m驟降至-1.0 m工況時(shí),堤防及主槽護(hù)岸岸坡整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)大于1.0,但不滿足規(guī)范要求。經(jīng)試算,在主槽岸坡采用水泥攪拌樁加固后,堤前灘地寬度大于22.0 m時(shí),堤防及主槽護(hù)岸邊坡整體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。因此,需對(duì)堤防樁號(hào)BT0+150.00~BT0+450.00和BT1+650.00~BT2+250.00段堤防的堤基進(jìn)行加固。建議在護(hù)腳位置布置3排Ф600 mm水泥攪拌樁加固,樁距1.0 m,梅花形布置。堤基加固處理后計(jì)算樁號(hào)BT0+250.00斷面的堤防及主槽護(hù)岸整體抗滑穩(wěn)定成果見表6。

      表6 堤防及主槽護(hù)岸整體邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

      由表6可知,堤基和主槽護(hù)岸岸坡采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固后,堤防及主槽護(hù)岸整體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

      由以上計(jì)算可知,因工程區(qū)地基存在深厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層,且下臥的粉砂層粘聚力低,存在邊坡抗滑問題。為保護(hù)主槽護(hù)岸邊坡的穩(wěn)定,需對(duì)主槽岸坡進(jìn)行加固處理。同時(shí),本堤段新建堤防局部緊鄰主槽護(hù)岸,經(jīng)分析,對(duì)堤外灘地寬度小于22.0 m堤段,需對(duì)堤防堤基進(jìn)行加固處理,以滿足堤防及主槽岸坡整體抗滑穩(wěn)定需要。建議采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固,樁間距為1.0 m,梅花型布置。堤基及主槽岸坡加固處理后,各種工況的堤防及主槽岸坡整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見表7。

      表7 堤防及主槽護(hù)岸整體邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

      3 結(jié)語

      根據(jù)主槽岸坡的地形、地質(zhì)條件,因采取水泥攪拌樁加固的范圍位于現(xiàn)有主槽內(nèi)側(cè)灘地上,施工條件較好,潮水漲落對(duì)施工影響有限,且工程投資遠(yuǎn)低于方案三。因此,推薦方案一,即河道主槽岸坡高程0.50 m~4.0 m范圍采用孔洞率約30%~40%的聯(lián)鎖式大塊型生態(tài)混凝土砌塊護(hù)砌,坡腳以外河床采用C25混凝土預(yù)制塊軟體排防沖處理,邊坡采用Ф600 mm水泥攪拌樁加固。

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