五華河左岸防洪堤布置及地基加固研究

張慧昌

(五華縣水利水電工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東 五華 514400)

0 引 言

河道是城市生態(tài)系統(tǒng)和行洪空間的重要組成部分，在供水、航運(yùn)、排澇、抗旱、景觀、文化等滿足人類需求方面具有非常重要的價(jià)值。城市防洪工程作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，在推進(jìn)城市化進(jìn)程中發(fā)揮著重要的支撐和保障作用[1]。受城市建成區(qū)用地條件限制，城市河道一般斷面窄、過(guò)流大、流速快，對(duì)駁岸、基礎(chǔ)防沖刷要求較高。因此，在防洪堤建設(shè)中應(yīng)重視水流沖刷、堤岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和地基加固處理等問(wèn)題[2]。

1 工程概況

五華縣五華河左岸某局部段防洪堤工程位于廣東省南部梅州市琴江五華段，工程起點(diǎn)樁號(hào)為Z0+000，終點(diǎn)樁號(hào)為Z0+707，總長(zhǎng)約707m，是五華縣防洪體系的組成部分。工程區(qū)現(xiàn)狀堤防興建于20世紀(jì)90年代，現(xiàn)狀堤岸為直立式漿砌石式護(hù)岸。工程任務(wù)以防洪為主，兼顧排澇安全。該工程從建設(shè)至今，工程區(qū)存在不同程度的安全隱患：如擋墻現(xiàn)存砂漿較少，砂漿與塊石膠結(jié)不夠飽滿，砂漿飽滿度較低，灰縫厚度不均勻，擋墻砌筑不夠密實(shí)；多處堤岸出現(xiàn)墻體水泥砂漿脫空、墻頂水平裂縫及位移、墻頂外傾等現(xiàn)象。

為科學(xué)合理地評(píng)估現(xiàn)狀堤防狀況，管理單位組織開(kāi)展了堤防安全鑒定及評(píng)價(jià)工作。根據(jù)相關(guān)評(píng)價(jià)報(bào)告中安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果可知：現(xiàn)狀堤頂高程不滿足20a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，防洪安全定為C級(jí)(不合格)；堤岸滲透穩(wěn)定安全性定為A級(jí)(優(yōu)良)；堤岸整體穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，定為A級(jí)(優(yōu)良)；擋墻結(jié)構(gòu)安全性定為C級(jí)(不合格)；堤身結(jié)構(gòu)質(zhì)量為C級(jí)(不合格)；綜合評(píng)價(jià)為三類(不安全)。為保證汛期周邊群眾生命、財(cái)產(chǎn)安全，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)論，亟需開(kāi)展堤防除險(xiǎn)加固整治和重建工作。

2 基本條件

2.1 水文條件

琴江流域的暴雨具有強(qiáng)度大、頻次高、歷時(shí)短、雨季長(zhǎng)等主要特征，前汛期(4-6月)受鋒面雨和低槽雨的影響，霪雨連綿；后汛期(5-9月)受熱帶氣旋影響，多發(fā)生臺(tái)風(fēng)暴雨。琴江是一條以雨洪為主的河流，洪水主要由暴雨形成，大都發(fā)生短歷時(shí)局地性洪水，洪水陡漲陡落，突發(fā)性強(qiáng)。據(jù)水文監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)最大洪峰流量為2300m3/s(1970年9月)，該場(chǎng)洪水過(guò)程歷時(shí)約為7d。洪水歷時(shí)只比暴雨歷時(shí)稍長(zhǎng)一點(diǎn)。

2.2 地質(zhì)條件

據(jù)地質(zhì)勘察成果顯示，五華河左岸某局部段堤防地層主要由第四系填土層(Q4ml)、沖洪積層(Q4al)、殘積層(Q4el)和花崗巖(γ52(3))組成。地基土由上而下依次分布為：①筑填土層，②中砂層，③含卵石礫砂層，③-1淤泥質(zhì)土夾層，④殘積砂質(zhì)黏性土，⑤全風(fēng)化巖帶，⑥中風(fēng)化巖帶。①筑填土層及③含卵石礫砂層為實(shí)際堤岸主要持力層，其中①筑填土層主要由粗砂夾部分卵石、礫石組成，頂部有20-40cm厚的水泥塊，局部鉆孔下部混有石塊，為堤身的筑填土，回填時(shí)間較長(zhǎng)，壓實(shí)，屬舊填土，承載力低；含卵石礫砂層主要由礫砂和部分石英礫、卵石組成，卵石呈次圓狀-滾圓狀，級(jí)配差，分選性低，礫石分布不均勻，局部地段卵礫石富集可變相為圓礫，其地基承載力特征值為300kPa。分層土體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)一覽表

3 工程建設(shè)技術(shù)要點(diǎn)分析

3.1 工程標(biāo)準(zhǔn)及堤線布置

根據(jù)主管部門(mén)對(duì)初設(shè)文件的批復(fù)，該堤防工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，堤防工程級(jí)別為3級(jí)，堤防工程上的穿堤建筑物相應(yīng)為3級(jí)；治澇標(biāo)準(zhǔn)采用10a一遇24h暴雨所產(chǎn)生的洪量1天排干。

該工程為舊堤拆除重建，堤線上游接左岸已建橋臺(tái)，下游接現(xiàn)狀大橋上游側(cè)約30m處舊堤，堤線基本沿用初設(shè)階段批復(fù)堤線走向，基本沿原堤線布置，局部進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以平順岸線。

3.2 堤型選擇及斷面方案

舊堤岸堤身結(jié)構(gòu)為直立式漿砌石墻式護(hù)岸。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50285-2013)第5.3.2條規(guī)定“加固、改建、擴(kuò)建的堤防，應(yīng)結(jié)合原有堤型、筑堤材料等因素選擇堤型”及第8.4.1條規(guī)定“對(duì)河道狹窄、堤防臨水側(cè)無(wú)灘易受水流沖刷、保護(hù)對(duì)象重要、受地形條件或已建建筑物限制的河岸，宜采用墻式護(hù)岸”，五華河城區(qū)段堤防建設(shè)時(shí)，因受河岸場(chǎng)地的限制，同時(shí)為防止堤腳受水流沖刷破壞，城區(qū)段典型斷面采用直立式擋墻護(hù)岸。因此拆除重建時(shí)仍采用原直立式擋墻護(hù)岸斷面型式。

工程上、下游有已建現(xiàn)狀大橋，大橋上、下游為現(xiàn)狀C20埋石混凝土重力式擋土墻。為保持五華河城區(qū)段防洪墻外形一致性，采用C20埋石混凝土重力式擋土墻斷面方案實(shí)施建設(shè)(見(jiàn)圖1)：擋土墻墻高8.0m，墻面坡1∶0.15，背坡1∶0.45，墻身及墻底板均采用C20埋石混凝土，墻底板厚1.5m，墻后回填土分層夯實(shí)，擋土墻上設(shè)1.2m高花崗巖欄桿。墻式護(hù)岸迎水側(cè)為4.0m寬人行步道(含1m寬花槽)，步道內(nèi)側(cè)為9m寬市政道路，道路內(nèi)側(cè)為3.0m寬人行道。工程位于五華河城區(qū)左岸，建設(shè)總長(zhǎng)約707m。

3.3 沖刷深度計(jì)算及護(hù)腳分析

1)沖刷深度計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)[3]中D.2.2及《水力計(jì)算手冊(cè)》中的有關(guān)公式，對(duì)河岸平順護(hù)岸的沖刷深度進(jìn)行計(jì)算。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；n與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取1/5；U為行近流速，m/s；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查表D.2.2采用，取1.0；Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s；d50為床沙的中值粒徑；γs為泥沙的容重，kN/m3；γ為水的容重，kN/m3；g為重力加速度，m/s2。

圖1 C20埋石混凝土重力式擋土墻典型斷面方案

表2 擋土墻墻趾沖刷深度計(jì)算表

選取樁號(hào)Z0+400處護(hù)岸擋土墻進(jìn)行墻趾沖刷深度計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)及成果見(jiàn)表2。計(jì)算結(jié)果表明：墻腳沖刷深度較深(約2.1m)，根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL379-2007)，當(dāng)擋土墻墻前有可能被水流沖刷的土質(zhì)地基，擋土墻墻趾埋深宜為計(jì)算沖刷深度以下0.5m-1.0m，否則應(yīng)采取可靠的防沖措施。因此，護(hù)腳抗沖刷深度按2.5m考慮，且須對(duì)護(hù)岸進(jìn)行護(hù)腳分析。

2)護(hù)腳分析

為使護(hù)岸墻腳免受淘刷，常用的堤防固腳形式有格賓石籠、拋石護(hù)腳等。鑒于格賓石籠石材用量大，山區(qū)河流雜物多，網(wǎng)格易被破壞，且網(wǎng)格易鉤掛雜物、垃圾，維護(hù)管理成本大，價(jià)格較昂貴，因此該工程采用拋石護(hù)腳，以便于城區(qū)小規(guī)模運(yùn)輸，其施工方便，成本較低。經(jīng)計(jì)算，工程堤前護(hù)底塊石的折算粒徑d=13cm，計(jì)算穩(wěn)定重量為40kg。護(hù)腳干砌石平臺(tái)長(zhǎng)度為4m。

3.4 堤岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

重力式擋墻穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)包括整體抗滑、抗傾穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算等。各計(jì)算公式如下：

抗滑穩(wěn)定計(jì)算：

(4)

抗傾穩(wěn)定計(jì)算：

(5)

基底反力計(jì)算：

(6)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為擋墻基礎(chǔ)與地基間的摩擦系數(shù)；∑G為作用在擋墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑H為作用在擋墻上全部平行于基底面的荷載，kN；K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為對(duì)擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；∑MH為對(duì)擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m；Pmax/min為擋墻基底反力的最大值或最小值，kPa；∑M為作用于擋墻上的全部荷載對(duì)于水平面平行墻面方向形心軸的力矩之和，kN·m；A為擋墻基底面的面積，m2；W為擋土墻基底面對(duì)于基底面平行墻面方向形心軸的截面矩，m3。

工況選擇、計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。計(jì)算表明：典型斷面擋土墻抗滑、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)、基底反力均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體偏于穩(wěn)定。擋墻基底應(yīng)力最大值約153kPa，當(dāng)擋墻基礎(chǔ)坐落在中砂層或含卵石礫砂層時(shí)，地基承載力滿足要求(160-300kPa)，不需進(jìn)行地基處理；當(dāng)坐落于筑填土層時(shí)，地基承載力特征值為80-100kPa，地基承載力不滿足要求，故需進(jìn)行地基加固處理。

表3 重力式擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算表

3.5 地基加固處理

工程部分堤段護(hù)岸擋土墻建基面高程約為7.47-7.74m，建基面以下筑填土層厚約0.5-1.0m。建筑物基礎(chǔ)直接位于筑填土層上，其承載力特征值僅為80-100kPa，低于建筑物基底計(jì)算所需的地基承載力，故必須對(duì)新建擋墻的地基進(jìn)行處理。在軟基處理中針對(duì)埋藏較深、厚度較薄的土層，根據(jù)以下幾種處理方法的特點(diǎn)、性能、實(shí)際效果進(jìn)行分析研究和比選，從中選出效果良好的軟基處理方案：

1)基礎(chǔ)換填方案：即采用人工或機(jī)械挖除堤下的全部軟土，換填強(qiáng)度較高的黏土或砂、礫、卵石、片石等材料。換填法可以從根本上改善地基，不留后患，效果好，適用于軟土層較薄、具有開(kāi)闊的施工場(chǎng)地且易于排水施工的情況。

2)水泥土樁復(fù)合地基方案：水泥土樁主要有水泥攪拌樁和高壓旋噴樁，兩種樁型加固技術(shù)相似，都是利用水泥作為固化劑，利用不同施工機(jī)械，在地基深處就地將軟土和水泥漿液強(qiáng)制攪拌，水泥和軟土產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，在土體中形成具有一定性能和形狀的固結(jié)體，并與樁間土形成復(fù)合地基，以此提高地基的強(qiáng)度和增大變形模量[3]。水泥攪拌樁處理地基可使基礎(chǔ)沉降均勻，基底不易產(chǎn)生脫空，基礎(chǔ)處理費(fèi)用低；但攪拌樁存在施工設(shè)備比較龐大，地基沉降相比其它方案較大、工期長(zhǎng)、質(zhì)量難以控制且成樁質(zhì)量不勻、檢測(cè)困難等缺點(diǎn)。高壓旋噴樁處理地基可使基礎(chǔ)沉降均勻，基底不易產(chǎn)生脫空，其施工設(shè)備相對(duì)較小，成樁質(zhì)量好，但基礎(chǔ)處理費(fèi)用很高。

因該堤防工程建基面以下筑填土層埋藏較淺(0.5-1.0m)，可采用直接開(kāi)挖換填砂碎石進(jìn)行基礎(chǔ)處理，處理后的地基承載力特征值≥160kPa。

4 結(jié) 論

1)五華河左岸某局部段防洪堤經(jīng)安全鑒定為三類(不安全)，亟需開(kāi)展堤防除險(xiǎn)加固整治和重建工作。重建時(shí)堤線基本沿用初設(shè)階段批復(fù)堤線走向，沿原堤線布置，局部進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以平順岸線。

2)堤型選擇直立式擋墻護(hù)岸斷面型式，建設(shè)時(shí)采用C20埋石混凝土重力式擋土墻+大理石欄桿護(hù)岸，堤頂高程可抵御50a一遇洪水。標(biāo)準(zhǔn)斷面寬16m，其中包括3m濱江步道+1m花槽+9m市政道路+3m人行道。

3)根據(jù)沖刷深度計(jì)算結(jié)果，抗沖刷深度采用2.5m，為保證基礎(chǔ)防沖安全應(yīng)進(jìn)行護(hù)腳分析。結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，該工程采用拋石護(hù)腳加固為宜。

4)堤防整體抗滑、抗傾穩(wěn)定和基底反力滿足要求，局部段坐落于筑填土層，地基承載力不滿足要求，須進(jìn)行地基加固處理。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)換填方案與水泥土樁復(fù)合地基方案進(jìn)行特性對(duì)比，工程采用直接開(kāi)挖換填砂碎石進(jìn)行基礎(chǔ)處理，處理后的地基承載力特征值≥160kPa。