浅谈软土地区堤防加固设计<br/>——以广东省肇庆市长利涌堤防加固工程为例

浅谈软土地区堤防加固设计
——以广东省肇庆市长利涌堤防加固工程为例

2017-09-15汪平

城市道桥与防洪 2017年8期

关键词：大堤格栅土工

汪平

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

浅谈软土地区堤防加固设计
——以广东省肇庆市长利涌堤防加固工程为例

汪平

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

以广东省肇庆市长利涌堤防加固工程为实例，介绍了软土地区堤防加固方案的设计，分析了设计及施工过程中的要点，为今后同类工程的设计及施工提供参考。

堤防；土工合成材料

0 引言

广东省肇庆地区河网密布，南临西江、东靠北江，北有九坑河水库，内有长利涌、横槎涌等主要河涌。区域地势平坦而低，区内地形标高大都低于西江洪水位，雨水排放不便，存在比较严重的内涝问题。

1994年6 月，华南地区普降暴雨、大暴雨，造成西江和北江同时并发超50年一遇大洪水，西江高要水文站洪峰流量47 700 m3/s，最高水位13.62 m。长利涌由于要排泄水坑截洪渠和九坑河水库下泄洪水，而当时西江洪水位较高致使其无法排出，结果造成长利涌水位超出设计水位1.10 m，长利涌支堤数处发生管涌、喷砂。如果长利涌发生溃堤，鼎湖城区将遭受巨大损失，后经奋力抢险，保住了长利涌支堤安全。

随着城市建设规模的不断扩大，要求与之相配套的防洪排涝体系的标准亦随之提高，而长利涌两岸支堤的现状已远远不能满足经济与社会发展形势的要求，其防洪安全问题已引起上级和地方政府的高度重视。

1 工程背景

长利涌区域平面图见图1。长利涌上接九坑河水库，下至西江，是肇庆新区骨干排洪河道。河涌全长7.5 km，水面宽度70～330 m。两岸支堤总长15.47 km，堤顶高程11.0～12.0 m。该支堤修建于上世纪60年代，堤防杂草丛生，河涌淤积较为严重，堤防防洪标准只有10年一遇，无法满足50 a一遇洪水标准要求，亟需加高加固。

图1 长利涌区域平面图

2 现状堤防

2.1 堤防现状

长利涌承泄九坑河水库以及水坑排渠下泄洪水并直接注入西江，由于其堤防以及控制水位较高（见图2），故不承接区内雨水，与西江相交处设有水闸。

图2 长利涌区域竖向关系图

河道现状岸线蜿蜒曲折，沿途形成多处急弯，长期遭受河水冲刷、淘蚀，堤脚形成深潭，局部则淤积成滩涂，水流流态复杂，堤外滑塌现象较常见，严重威胁堤防安全。

2.2 工程地质条件

根据地质勘察成果，场地存在第2-2、2-6、2-8T层淤泥质土软土层，总体层厚较大，其中第2-2层、2-6层淤泥质土埋藏浅。该层软土压缩性大，抗剪强度低，含水量大，固结时间长，加荷后变形量大，易产生滑动破坏。拟建大堤不宜直接采用天然地基，建议采取适当的地基处理措施。

3 堤防加固方案

3.1 加固方案比选

为提高大堤的安全性，保证施工进度，减少施工期沉降，本工程大堤考虑地基处理。地基处理方式[1]基于经济性、可行性和工期等综合因素，考虑采用CFG桩、土工格栅＋超载预压、堆载预压＋塑料排水板3种方案。

（1）方案一：CFG桩

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，再加上CFG桩不配筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺和料，从而大大降低了工程造价。

复合地基设计中，基础与桩和桩间土之间设置一定厚度散体粒状材料组成的褥垫层，是复合地基的一个核心技术。基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大。若不设置褥垫层，复合地基承载特性与桩基础相似，桩间土承载能力难以发挥，不能成为复合地基。基础下设置褥垫层，桩间土承载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降，即使桩端落在好土层上，也能保证荷载通过褥垫层作用到桩间土上，使桩间土共同承担荷载。

（2）方案二：土工格栅＋超载预压

由于土工格栅[2]具有较强的抗拉强度及较好的延性，它和砂垫层共同作用时能将应力均匀地扩散到较大的面积上，从而提高原地基的承载能力，同时阻止路堤填料陷入基底。土工格栅的存在可防止滑动圆弧通过路堤和地基土，从而增加路基的稳定性。利用土工格栅的网孔与上下层土体的咬合作用，形成一个较高强度的抗剪切层，从而增加土体的抗剪强度，使应力均匀分布而减少大堤的不均匀沉降。

（3）方案三：堆载预压＋塑料排水板

在软土中插入塑料排水板可以大大缩短排水距离，使堆载所产生的超孔隙水压力快速消散，加速地基固结过程。从施工和经济角度考虑，插塑料排水板和堆载可以同时施工，易于大面积地基处理，且技术可靠、工艺简单，对地层的扰动较小，一般用于泥炭饱和淤泥地段或土基松软地下水位较高的地段。由于在使用此法时，要严格控制堆载的速率，所以该方案施工的周期较长。

方案比选：

方案三为海堤建设中处理软土地基的常规方法，该方案造价较低，在堆载的作用下可有效加速软土层的沉降速率。但该方法有以下缺点：（1）工后沉降大，不均匀沉降难以控制；（2）地基强度增长有限，地基承载力难以满足要求，且加载需要严格控制速率，从而影响工期。

方案二为近年来软基处理控制不均匀沉降的良好方法。大量成功的工程实践表明，土工格栅的采用对减少路堤不均匀沉降有着良好的作用。但该法虽然可以减少不均匀沉降，提高地基承载力，但无法控制软卧层的固结沉降，因此沉降量仍然较大。

方案一同时从控制沉降和提高地基承载力入手，施工速度快，可有效节省工期，用CFG桩处理软土地基不仅可以显著降低道路的总沉降量，并且对于控制工后沉降量和工后不均匀沉降量也是有效的。不足之处在于造价较高。

针对本工程工期较紧的特点，且从节省造价角度出发，选择土工格栅+超载预压的地基处理方案。

3.2 加固方案设计

本工程堤防采用两级平台断面，其中二级平台为景观滨水步道，一级平台为防汛通道。二级平台位于现状堤线位置，将现状堤顶削至设计标高10.5 m。新建堤线与现状堤线距离约15 m，可为景观造景提供较大空间。

新建一级堤防位于鱼塘之上，需清除现状鱼塘塘底淤泥约1 m。堤基2 m范围内每隔0.5 m铺设土工格栅以保证地基受力均匀。坝体填筑材料采用分区处理。其中迎水面和路基以下1 m采用粘性土填筑，面层采用种植土，坝体主体材料采用山皮石分层碾压。根据计算，大堤面坡和背坡均需采用护脚压重以满足抗滑稳定要求，此外面坡坡脚块石能同时起到防河道冲刷作用。面坡护脚采用水下抛石，单块重于60 kg，抛石范围为坡脚10 m，抛石厚2 m。背坡压重采用宕渣填筑，宕渣顶宽6 m，边坡比1∶1.5，高3 m。背坡宕渣同时可兼做施工期临时便道。一级堤顶宽9 m，迎水面常水位上下1 m采用三维水土保护毯护坡。新建大堤置于现状大堤背水坡，新老大堤结合面采用台阶式开挖处理，每级台阶铺设一层2 m宽双向土工格栅，以减少不均匀沉降和稳定边坡。防渗由新老大堤共同承担。粘性土、山皮石和山皮石、宕渣之间均需铺设400 g/m2规格土工布反滤。图3为堤防加固断面图。

3.3 堤防安全计算

根据堤防工程设计规范[3]，稳定分析采用简化毕肖普法，抗滑稳定安全系数K的计算公式如下：

式中：W为条块重力（kN）；V为垂直地震惯性力（kN）；u为作用于土条底面的孔隙压力（kPa）；α为条块的重力线与通过此条底面中点的半径之间的夹角（°）；b为条块宽度（m）；c'、φ'为土条底面的有效凝聚力（kN/m2）和有效内摩擦角（°）；MC为水平地震惯性力对圆心的力矩（kN·m）；R为圆弧半径（m）。

根据设计规范，土堤抗滑稳定计算分为正常工况和非常工况。

①正常工况：相应水位采取低水位下的稳定渗流水位。

②非常工况1（地震）：平均水位时遭遇地震的堤坡；非常工况2（水位骤降）：正常工况下考虑水位骤降。

采用SLIDE软件建立堤防断面模型（见图4～图7）。计算结果显示，迎水面和背水面正常工况下整体稳定安全系数均大于1.35，非常工况下整体稳定安全系数均大于1.15，满足规范要求。

图3 堤防加固断面图（单位：m）

图4 迎水面（正常工况）

图5 迎水面（非常工况）

图6 背水面（正常工况）

图7 背水面（非常工况）

渗流稳定复核为考虑高水位情况下大堤的渗透稳定情况，计算采用二维平面有限元法进行，得到大堤的压力水头场和渗透坡降场。计算结果见图8、图9。计算结果表明，大堤坡脚逸出处渗透坡降均较小，能满足工程安全要求。

图8 压力水头场

图9 渗透坡降场

4 施工关键技术要求

4.1 土方填筑施工方法[4]

土方回填铺料采用自卸汽车运输、推土机平土。填土由低往高分层填筑施工，每一层填土铺料厚度为30～40 cm。

推土机平土过程中，应及时检查铺层厚度，发现超厚部位要立即进行处理，要求平土厚度均匀，表层平整，为机械压实创造条件。对平整好的这一层土料，采用18 t重型振动压路机进行分段碾压，行车速度为2 km/h，压实遍数初步定为6～8遍，准确数由现场试验来确定。分段碾压时，碾压采取错距方式，相邻两段交接带碾迹彼此搭接，顺碾压方向（平行于堤轴线）的搭接宽度不小于0.3～0.5 m，垂直碾压方向（垂直于堤轴线）的搭接长度不小于3 m。

粘性土的铺料与碾压工序必须连续进行，如需短时间停工，其表面风干土层要经洒水湿润，以保持含水量在设计控制范围内。碾压完成后即进行刨毛（深2 cm）处理并洒水至表面湿润，此道工序完成经质检合格后即可进行下一层土料的填筑。

土方填筑边线要求扩宽30 cm的余量，以确保削坡后边坡稳定密实。边坡修整在堤身每一段土方完成后统一修坡，采用人工配合机械的方法进行；修整时先打标桩（坡度控制样架），测出每个标桩的挖深，以防止边坡超挖。桩的间距直线不超过10 m，弯曲段不超过5 m，绝不允许超挖后再用浮土填补边坡。边坡成型后，即安排人工清除表面浮土，拍打平整，为下一步施工工序创造条件。

4.2 新老大堤结合处理

新老大堤结合面采用开挖结合面挖台阶＋土工格栅处理。台阶应挖成稍向内侧倾斜5%并在其上铺设土工格栅，台阶高度0.6～0.8 m,宽度不小于1 m并可根据现场地形调整。土工格栅在台阶以内搭接长度不小于1 m，台阶以外外伸长度不小于2 m。土工格栅应具有质量轻、整体连续好、抗拉强度较高、变形小、糙度大、耐腐蚀和抗微生物侵蚀好、施工方便等特点。设计采用双向钢塑土工格栅，栅条间距15 cm×15 cm，其纵横向受力方向抗拉强度≥50 kN/m。

铺设时为保证土工格栅的整体性，堤基横向应尽量保证土工格栅的整体性，如长度不足，在堤基横向相接处必须牢固，其连接处强度不得小于材料设计抗拉强度，叠合长度不应小于15 cm。相连可采用8钢筋制作U型钢钉，将土工格栅固定于填土层表面。

土工格栅摊铺以后应及时填筑填料，以避免其受阳光直接暴晒时间过长。间隔时间不应超过48 h。

土工格栅上的第一层填土摊铺宜采用轻型推土机或前置式装载机。只有当已填筑压实的垫层厚度大于60 cm后，才能采用重型压实机械压实。一切车辆、施工机械只容许沿路堤的轴线方向行驶。