水力冲填法在淮河干流城西湖蓄洪大堤加固设计中的应用

张功义（安徽省六安市水利水电规划设计院 六安 237000）

水力冲填法在淮河干流城西湖蓄洪大堤加固设计中的应用

张功义
（安徽省六安市水利水电规划设计院 六安 237000）

本文介绍了水力冲填法在淮河干流城西湖蓄洪大堤加固设计中的应用，提出并总结了应用中的一些关键问题。对新建的堤防或大坝，应认真查明原状地基情况，首先做好地基处理。水力冲填坝（堤防）的冲填的期数及每期冲填的进度，应根据冲填土料情况、坝高及施工工期要求，综合分析确定。根据水力冲填的距离，堤防填筑总土方量、土料情况及施工工期，合理选择冲填设备，以节约投资。

水力冲填法 城西湖蓄洪大堤 渗流 抗滑稳定

1 引言

淮河干流城西湖蓄洪大堤加固工程系国务院治淮19项骨干工程之一，南滩大湾段位于淮河干流城西湖蓄洪大堤中段，为一“U”型弯堤，弯堤长1050m，由于该段弯堤汛期险情多，在城西湖蓄洪大堤加固设计中将该段弯堤裁弯取直，并采用铰吸式吸泥船将淮河河床泥沙吸入泥浆泵，经压力输泥管输送到坝址处，即水力冲填法筑堤，同时对弯道内约8万m2区域冲填成庄台，既解决了大堤加固中土料不足及大堤加固中拆迁人员的安置问题，又少占用耕地约400亩，同时降低了工程投资，具有较大的经济效益和社会效益。本文就水力冲填法在淮河干流南滩大湾段筑堤及新建庄台设计作简要介绍，供读者参考。

2 工程概况

淮河干流城西湖蓄洪大堤位于安徽省霍邱县的西北部，全长23.28km，大堤迎水侧为淮河，背水侧为城西湖，城西湖是淮河中游最大的蓄洪区，湖内人口约17万人，耕地面积40.7万亩，设计蓄洪面积517km2，设计蓄洪量28.8亿m3，是确保淮北大堤和沿淮工矿城市圈堤安全的关键性蓄洪工程，但由于城西湖蓄洪大堤堤身较高，土质较差，堤基中有较强的透水砂层与淮河连通，汛期淮河高水位时，堤坡散浸渗漏，堤脚内地面翻砂鼓水等险情不断，因此实施加固工程是十分必要的，也是国家治淮19项骨干工程之一。南滩大湾段位于城西湖蓄洪大堤中段，为“U”形弯堤，弯堤长1050m，系1954年淮河流域发生特大洪水时炸堤进洪时形成的巨大冲坑，冲坑深度在10 m以上，汛后复堤在冲坑下游筑一弯堤后而形成南滩大弯。目前冲坑逐年淤积，平均高程在21.00m左右，该处设计洪水位27.53m，设计堤顶高程29.53m，由于南滩大弯弯堤较长，且呈三向渗流状态，汛期险情多，大堤加固工程设计将弯堤裁弯取直，取直堤线长400m，根据地质勘测资料，取直堤轴线坝基基本分为两层，高程9.00m以上为淤泥质砂壤土，厚度约11m，抗剪强度C=1～4kPa，Ф=3.3°～6°，堤基强度很低。高程9.00m以下为原状粉质粘土，强度很高。由于筑堤土方量较大，如采取常规的取土筑堤方式，一是附近土源不足，二是挖压占地太多。最终采用了铰吸式吸泥船将淮河河道内泥沙吸入泥浆泵，经压力输泥管输送到坝址处，即水力冲填法进行筑堤，并对堤基进行处理，同时对弯道内约8万m2区域冲填成庄台。既解决了大堤加固中土料不足及大堤加固中拆迁人员的安置问题，又少占用耕地约400亩，同时降低了工程投资，具有较大的经济效益和社会效益。

3 水力冲填法堤防设计要点

3.1 地基处理方案

初拟坝型为冲填式砂坝，由于堤基强度太低，应首先对基础进行处理，考虑了三种处理方案：一是换砂，计算换砂深度和方量；二是分期冲填加荷预压，提高地基的抗剪强度和承载力；三是先冲填加荷预压，再用粉喷桩加固，提高地基的综合强度。

第一步，基础暂不处理，经瑞典圆弧法计算三种边坡抗滑稳定均不满足要求，只是堤防坡度变缓安全系数稍有增加；第二步，分别按地基换砂2m和4m厚度，经计算其安全系数仍不满足要求，且换填方量分别为7.5万m3和15万m3，工程量较大，此方案也不可行；第三步分期冲填加荷预压方案，即采用分期冲填的方法，靠坝体自身排水预压固结。共分三期冲填，当年汛后进行第一次冲填，第二年汛后随即取样进行土工试验，如达到预期效果，即进行第二次冲填，一年后再取样进行土工试验，如达到预期效果，即进行第三次冲填。如现场取样土工试验未达到抗滑稳定计算中假定的抗剪强度参数C、Ф取值，适当延长冲填间隔时间，并根据现场取样的土工试验值，重新复核稳定计算。具体冲填步骤为第一期从21.00m冲填至24.00m，抗剪强度参数取原状地基土工试验资料提供的值。第二期冲填至26.53m，原状地基土工试验资料提供的C值为1kPa，计算中考虑预压后取C=2kPa，其升值量主要考虑预压之后的预期值，并有待实施中根据实际跟踪检测进行复核。第三期冲填至29.53m，原状地基土工试验资料提供的C值为1kPa，计算中考虑预压后取C=2kPa；以上经过三次冲填后预压，经抗滑稳定计算满足要求，但是施工期太长，且堤防边坡需达到1∶7以上，为工程安全着想，地基处理方案最终采用先冲填加荷预压，再用粉喷桩加固的方案。经一年的预压固结，地基条件将有所改善，再用粉喷桩加固，两种措施共同作用，可确保地基处理达到预想的状况。具体方案为第一期冲填至24.00m，第二年汛后实施粉喷桩，并对边坡进行优化设计，在冲填堤防的同时对弯内8万m2区域进行冲填，高程为27.40m（高于城西湖蓄洪水位1m），作为庄台供拆迁安置使用，节约耕地400多亩。南滩大弯堤防最终设计断面如图1。

图1 采用冲填加荷预压及粉喷桩共同加固地基后南滩大弯设计断面图

3.2 粉喷桩设计

根据该工程具体情况，桩顶高程取24.00m，桩底伸入原状粉质粘土以下1m，桩径50cm，为节约投资，桩体采用两种规格，荷载较大的中间部位采用灰土比15%（每米喷灰量约56kg），抗压强度约1300kPa，其他的采用灰土比12%（每米喷灰量约45kg），抗压强度约1000kPa。

3.2.1 桩自身强度计算

桩截面积为0.196m2；

灰土比12%，单桩可承受荷载为1000×0.196=196kN；

灰土比15%，单桩可承受荷载为1300×0.196=254.8kN。

3.2.2 桩顶荷载计算

按复合地基受力机理，原地基地层和桩体分别承担一部分上部荷载，根据勘测资料，原地基承载力约80kPa，最大荷载位于堤顶部位，填土高为8.53m，湿土重取19kN/m3，桩距及排距均取1.75m，则每个桩承担（8.53×19-80）× 1.752=251.3kN＜254.8kN，因此选用的桩距及排距、灰土比15%均满足要求。同理，坝坡平台部位，高程26.53m，桩距及排距均取3m，灰土比12%也满足要求。经计算高程24.00m平台以下无需设桩。

3.3 冲填坝设计

3.3.1 抗滑稳定复核计算因地基处理方案最终采用冲填加荷预压加粉喷桩，因此需对坝体进行抗滑稳定复核，仍采用瑞典圆弧法计算。第一期冲填至24.00m，抗剪强度参数C、Ф取原地基状态土工试验资料值；设桩后坝体冲填至坝顶高程，高程21.00m以下软土层C值采用设桩后综合值，取C=10.5kPa，21.00m高程以上C值采用预压后现场取样的土工试验资料值，经计算在正常运用及非常运用工况条件下，第一期冲填完成、全部冲填完成及建成后设计洪水位三种情况，抗滑安全系数全部大于规范规定的值。3.3.2坝体沉降计算

粉喷桩设桩必须在坝体第一期冲填至24.00m高程以后进行的，故先计算高程24.00m以下的压缩沉降，计算结果，沉降量为0.455m。设桩后坝体的重量由桩承担了19× 8.53-80=82kPa，占坝体总重量的82/（19×8.53）=50.6%，计算结果坝总沉降量为0.459m，此值与高程24.00m以下的压缩沉降量基本接近，说明采用粉喷桩复合地基后，坝身由高程24.00m，冲填至坝顶29.53m不再发生明显沉降。并按规范规定，进行渗流稳定计算。

4 结语

以上简要介绍了水力冲填法在淮河干流城西湖蓄洪大堤南滩段筑堤设计中具体应用情况，供读者在具体工作中参考，实际工作中应重点把握以下几点：

（1）对新建的堤防或大坝，应认真查明原状地基情况，首先做好地基处理。冲填预压固结对处理软弱地基是一种常用的办法，但要求预压固结时间长，施工工期相对较长，实际工作中，应结合其他地基处理措施共同发挥作用，如粉喷桩、换填法、挤密砂桩等，以达到安全可靠的效果。

（2）水力冲填坝（堤防）的冲填期数及每期冲填的进度，应根据冲填土料情况、坝高及施工工期要求，综合分析确定；冲填坝（堤防）设计与土坝及堤防的设计是一样的，只是首先要合理选定冲填的土源、冲填的距离，并根据冲填土料情况、坝高及施工工期要求，综合分析确定冲填坝（堤防）的期数及每期冲填的高度，并在不同坝高上进行抗滑稳定分析计算等。

（3）根据水力冲填的距离，堤防填筑总土方量、土料情况及施工工期，合理选择冲填设备，以节约投资