浦河治理工程关键技术问题分析

2014-12-12薄贤波夏小娟

江苏水利 2014年2期

闻锐洪波薄贤波夏小娟

（1.上海勘测设计研究院，上海 200434；2.常州市新北区水利局，江苏常州 213022；3.上海市堤防（泵闸）设施管理处，上海 200434）

随着国民经济的发展和社会进步，人们对人类的生存环境提出了更高要求，而作为城市水利工程项目中一项重要的工程措施，河道整治工作得到了更多的关注与重视。河道治理工程建设包括除涝泄洪、水土保持、航运功能、水质改善、环境保护和生态恢复等，其中，河道的安全防洪建设工作更是重中之重［1］。

1 工程概况

1.1 工程概况

浦河是常州市新北区西部的骨干引排河道，北起长江、南至城巷大沟，与新孟河相连，全长24.1 km，底宽6～8 m。根据《常州市水利发展“十二五”规划》和《新北区水利规划》要求，本次浦河万绥段治理工程列入了江苏省中小河流治理工程之中。治理万绥段全长为3.39 km，现状河口宽47.2～56.2 m，河底高程2.30～2.80 m。

工程区域及浦河地区存在的主要问题包括：（1）过水断面远未达到规划河道的过水断面要求，河道调蓄和输水能力严重不足。（2）拟建河道大部分无驳岸，常年引水带来的泥沙和两岸地下水较高的水位造成管涌引起的水土流失使得浦河现状淤积甚为严重，河道淤积、坍塌，无法满足农业发展要求。（3）河道水质恶化，与经济社会发展不协调。因此，浦河（万绥段）河道治理是十分必要的，项目实施后在增大河道过水断面、改善河道淤积现状、防止岸坡坍塌、改善河道生态环境及水质等方面都有积极作用。

本工程为Ⅲ等工程，主要建筑物级别为3 级，采用50年一遇防洪标准，20年一遇排涝标准，治理长度3.2 km，治理底高程2.0 m，底宽4～10 m，河口宽约36～52 m。工程任务以防洪排涝为主，兼顾引水灌溉，充分发挥水系的生态环境、引水排水和交通运输等综合功能。

1.2 工程地质

浦河为人工开挖形成的引排河道，本次工程治理河段较直，近南北向展布，河道两岸多为自然土坡，坡度较缓，局部段修建有小型护坡和护堤，两岸有多处提灌引水口及泵站、水道涵闸。河道左岸（西侧）民房和厂房分布较多，部分民房已占据河道，河道右岸（东侧）分布少量工业和民用建筑，河床因淤积产生的淤泥厚度约0.70～1.50 m。

工程所在区域场地表层第四系覆盖层深厚，河道两岸最大勘探深度20.45 m。除场地土表层有厚度不大的粘性土外，其下为粉性土和砂性土，多处于地下水位以下，④-1 层以下各土层按常规方法采取原状样比较困难，试样扰动性较大。土层物理力学性质参数采用在钻孔控制深度范围内的场地各土层物理力学性质指标按算数平均的方法进行分层数理统计，场地各土层的特性参数见表1。

本工程存在地基抗滑稳定和沉降变形、渗透变形及岸坡冲刷等问题，其中，最主要的是渗透变形问题：（1）河道岸坡下部③-1 层粘质粉土土质软弱，抗剪强度低，岸坡存在抗滑稳定问题，应适当放缓岸坡坡比；（2）③-1 层粘质粉土和③-2 层砂质粉土为中等透水性土，处于河道岸坡中下部与河床部位，在河道低水位时，可能发生流土变形问题，岸坡治理时应采取防渗、反滤等防护措施；（3）③-1层粘质粉土和③-2 层砂质粉土处于岸坡下部，抗冲刷能力差，易遭受河水的冲蚀和风浪掏蚀，引起塌岸，本工程河道岸坡应妥善做好抗冲刷护坡措施。

表1 各土层物理力学参数

2 护岸设计

2.1 护岸选择

（1）河底高度比选

根据本工程河道治理的特点，首先确定河底高程。分别对河底高程2.00 m、1.50 m 和1.00 m 进行比较，结合断面整体稳定（施工期）及渗流稳定计算结果分析比较，具体见表2。

由表2 中计算结果可以看出，河底高程为1.50 m 时，出口河道断面的坡降值为0.39，接近允许水力比降值0.40，抗渗流稳定性安全系数不满足规范要求；河底高程为1.00 m 时，出口河道断面的坡降值和抗渗流稳定性安全系数均不满足要求。因此，确定河底高程为2.00 m。

（2）河底宽度比选

浦河万绥段部分岸段尤其是西岸房屋较密集，本阶段对河底宽度10 m 和河底宽度根据两岸现状4～10 m渐变进行比选，具体见表3。

由表3 可知，若全线河底宽度均采用10 m，虽能有效地增加过流面积，减小平均流速，但造成的建设征地及拆迁安置补偿费高达1072.09 万元；若基本保持原河口线不变，顺应原河道的走向，采用4～10 m 渐变的河底宽度，则投资大大减小，但过流面积较小，导致本河段的过流流速较大，不能满足土层的不冲流速要求，河底需考虑采用抛石护底。因此，对于河底宽度的选择，采用4～10 m 渐变的型式。

表2 不同底高程的相关计算结果比较表

表3 河底宽度比较表

（3）护岸结构型式比选

护岸结构型式采用生态格宾、生态模袋、混凝土连锁块和绿化混凝土比选。

由于浦河万绥段流速较大，对护坡抗冲要求较高，生态格宾护坡结构的防冲系数高于生态模袋护坡结构，并且生态格宾护坡结构可以破坏浪压力造成的真空，退浪时不会形成真空吸力，这一点优于混凝土连锁块及绿化混凝土护岸。同时，考虑到本段河道边坡渗流稳定问题突出，采用压渗措施治理可以提高压渗效果，经比较，格宾护坡较其余三种护岸结构压重大。因此，采用生态格宾护岸结构，并于常水位以上的格宾护坡上部覆土0.20 m，以利于植物生长。

2.2 护岸稳定计算

（1）护岸边坡稳定

护岸边坡整体稳定计算采用瑞典条分法，滑动面按圆弧计算。因高水位工况不控制，计算选择低水位工况进行，计算工况分为基本组合和完建工况两种。地下水位取地面以下1 m，地面设计荷载施工期取10 kN/m2，房屋密集处考虑30 kN/m2。

基本组合：河道水位取2.32 m，地下水位取4.74 m；

完建工况：河道水位同河底高程，地下水位取5.74 m；

地面设计荷载取10 kN/m2，房屋密集处考虑30 kN/m2。

计算时地质资料选用地面高程较高且土层相对较差的断面进行计算，护岸断面结构见图1～3，护岸断面计算见图4，计算结果见表4。

图1 护岸断面A 结构图

图2 护岸断面B 结构图

图3 护岸断面C 结构图

图4 护岸断面A 整体稳定计算简图

表4 整体稳定计算成果表

从表4 可以看出，断面A 低水位工况和完建工况下堤身边坡稳定抗滑安全系数均大于规范规定的允许最小安全系数，整体抗滑稳定满足要求，但房屋密集且距河口较近的局部岸段，地面设计荷载采用30 kN/m2进行计算时，稳定安全系数接近规范允许最小值，因此，此岸段在4.50 m 高程平台护脚处采用单排C30 钢筋混凝土预制方桩以提高整体稳定性；断面B 无桩基时低水位工况和完建工况下堤身整体抗滑稳定均不满足要求，采用方桩基础后，各工况稳定抗滑安全系数均大于规范规定的允许最小安全系数，整体抗滑稳定满足要求；断面C 现状有老驳岸挡墙，采用桩基断面，各工况边坡整体稳定安全系数均满足规范要求。

（2）护岸渗流稳定

护岸渗流稳定计算采用有限元分析方法，其有限元分析基本方程为［2］：

式中：

［K］—透水系数矩阵；

{H}—总水头向量；

［M］—单元储水量矩阵；

{Q}—流量向量；

t—时间。

由上述基本方程，根据地勘资料，对粉砂地基经计算得出口最大水力坡降为0.26，根据《水闸设计规范》（SL265-2001）表6.0.4，出口段粉砂渗透坡降的允许值为0.25～0.30，堤基出逸比降处于临界值附近，在采用生态格宾护坡、护脚等压渗措施后，堤基渗透满足规范要求。计算结果见图5。

图5 渗流计算出逸比降图

3 施工降排水

根据表1，本工程除表层②层粉质粘土为微透水性土以外，其下各土层均为中等透水性土，其中，③-1 层粘质粉土和③-2 层砂质粉土位于河道岸坡中下部与河床部位，由于浦河属感潮河道，地下水丰富，为防止施工期间地下水位与河道内水位相差过大而导致管涌破坏，需采用降排水措施，降低地下水位。

对于一般降水措施，如：龙沟明排水，因河道存在大量粉砂层，施工降排水较为困难且效果不佳，同时，由于工程现场道路狭窄，施工道路布置于河坡上，为保证施工车辆安全及边坡稳定，故考虑采用轻型井点降排水方案，即在河道中心线位置设置单排井点总管50 m 一个循环施工，同时配套2台套降水设备。该方案降水效果好，能使基底以上土质保持干燥，不需再设排水沟、集水井等，雨季施工时雨水可通过基底下渗，通过井点排出。同时该方案能防止流砂发生，提高边坡稳定，有效保证降水质量和施工安全，而且由于本工程沿线房屋分布相对密集，此方案在降水过程中对附近土层很少产生扰动，不会因降水改变临近建筑物基础以下土层结构特性，能有效预防临近房屋在降水期间产生不均匀沉降或发生地基下陷现象。

本工程采用此方案施工后，缩短了挖土基础施工周期，节约了基坑支护费用，同时保证了施工过程中工程沿线房屋等建筑物的安全，取得了良好的效果。