五华河左岸防洪堤布置及地基加固研究

2021-02-18张慧昌

黑龙江水利科技 2021年12期

张慧昌

(五华县水利水电工程质量监督站，广东五华 514400)

0 引言

河道是城市生态系统和行洪空间的重要组成部分，在供水、航运、排涝、抗旱、景观、文化等满足人类需求方面具有非常重要的价值。城市防洪工程作为城市重要的基础设施，在推进城市化进程中发挥着重要的支撑和保障作用[1]。受城市建成区用地条件限制，城市河道一般断面窄、过流大、流速快，对驳岸、基础防冲刷要求较高。因此，在防洪堤建设中应重视水流冲刷、堤岸结构稳定和地基加固处理等问题[2]。

1 工程概况

五华县五华河左岸某局部段防洪堤工程位于广东省南部梅州市琴江五华段，工程起点桩号为Z0+000，终点桩号为Z0+707，总长约707m，是五华县防洪体系的组成部分。工程区现状堤防兴建于20世纪90年代，现状堤岸为直立式浆砌石式护岸。工程任务以防洪为主，兼顾排涝安全。该工程从建设至今，工程区存在不同程度的安全隐患：如挡墙现存砂浆较少，砂浆与块石胶结不够饱满，砂浆饱满度较低，灰缝厚度不均匀，挡墙砌筑不够密实；多处堤岸出现墙体水泥砂浆脱空、墙顶水平裂缝及位移、墙顶外倾等现象。

为科学合理地评估现状堤防状况，管理单位组织开展了堤防安全鉴定及评价工作。根据相关评价报告中安全复核计算结果可知：现状堤顶高程不满足20a一遇防洪标准要求，防洪安全定为C级(不合格)；堤岸渗透稳定安全性定为A级(优良)；堤岸整体稳定满足规范要求，定为A级(优良)；挡墙结构安全性定为C级(不合格)；堤身结构质量为C级(不合格)；综合评价为三类(不安全)。为保证汛期周边群众生命、财产安全，根据评价结论，亟需开展堤防除险加固整治和重建工作。

2 基本条件

2.1 水文条件

琴江流域的暴雨具有强度大、频次高、历时短、雨季长等主要特征，前汛期(4-6月)受锋面雨和低槽雨的影响，霪雨连绵；后汛期(5-9月)受热带气旋影响，多发生台风暴雨。琴江是一条以雨洪为主的河流，洪水主要由暴雨形成，大都发生短历时局地性洪水，洪水陡涨陡落，突发性强。据水文监测站实测最大洪峰流量为2300m3/s(1970年9月)，该场洪水过程历时约为7d。洪水历时只比暴雨历时稍长一点。

2.2 地质条件

据地质勘察成果显示，五华河左岸某局部段堤防地层主要由第四系填土层(Q4ml)、冲洪积层(Q4al)、残积层(Q4el)和花岗岩(γ52(3))组成。地基土由上而下依次分布为：①筑填土层，②中砂层，③含卵石砾砂层，③-1淤泥质土夹层，④残积砂质黏性土，⑤全风化岩带，⑥中风化岩带。①筑填土层及③含卵石砾砂层为实际堤岸主要持力层，其中①筑填土层主要由粗砂夹部分卵石、砾石组成，顶部有20-40cm厚的水泥块，局部钻孔下部混有石块，为堤身的筑填土，回填时间较长，压实，属旧填土，承载力低；含卵石砾砂层主要由砾砂和部分石英砾、卵石组成，卵石呈次圆状-滚圆状，级配差，分选性低，砾石分布不均匀，局部地段卵砾石富集可变相为圆砾，其地基承载力特征值为300kPa。分层土体物理力学指标见表1。

表1 岩土层物理力学参数一览表

3 工程建设技术要点分析

3.1 工程标准及堤线布置

根据主管部门对初设文件的批复，该堤防工程防洪标准为50a一遇，堤防工程级别为3级，堤防工程上的穿堤建筑物相应为3级；治涝标准采用10a一遇24h暴雨所产生的洪量1天排干。

该工程为旧堤拆除重建，堤线上游接左岸已建桥台，下游接现状大桥上游侧约30m处旧堤，堤线基本沿用初设阶段批复堤线走向，基本沿原堤线布置，局部进行适当调整，以平顺岸线。

3.2 堤型选择及断面方案

旧堤岸堤身结构为直立式浆砌石墙式护岸。根据《堤防工程设计规范》(GB50285-2013)第5.3.2条规定“加固、改建、扩建的堤防，应结合原有堤型、筑堤材料等因素选择堤型”及第8.4.1条规定“对河道狭窄、堤防临水侧无滩易受水流冲刷、保护对象重要、受地形条件或已建建筑物限制的河岸，宜采用墙式护岸”，五华河城区段堤防建设时，因受河岸场地的限制，同时为防止堤脚受水流冲刷破坏，城区段典型断面采用直立式挡墙护岸。因此拆除重建时仍采用原直立式挡墙护岸断面型式。

工程上、下游有已建现状大桥，大桥上、下游为现状C20埋石混凝土重力式挡土墙。为保持五华河城区段防洪墙外形一致性，采用C20埋石混凝土重力式挡土墙断面方案实施建设(见图1)：挡土墙墙高8.0m，墙面坡1∶0.15，背坡1∶0.45，墙身及墙底板均采用C20埋石混凝土，墙底板厚1.5m，墙后回填土分层夯实，挡土墙上设1.2m高花岗岩栏杆。墙式护岸迎水侧为4.0m宽人行步道(含1m宽花槽)，步道内侧为9m宽市政道路，道路内侧为3.0m宽人行道。工程位于五华河城区左岸，建设总长约707m。

3.3 冲刷深度计算及护脚分析

1)冲刷深度计算

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)[3]中D.2.2及《水力计算手册》中的有关公式，对河岸平顺护岸的冲刷深度进行计算。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：hs为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；n与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取1/5；U为行近流速，m/s；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查表D.2.2采用，取1.0；Uc为泥沙起动流速，m/s；d50为床沙的中值粒径；γs为泥沙的容重，kN/m3；γ为水的容重，kN/m3；g为重力加速度，m/s2。

图1 C20埋石混凝土重力式挡土墙典型断面方案

表2 挡土墙墙趾冲刷深度计算表

选取桩号Z0+400处护岸挡土墙进行墙趾冲刷深度计算，计算数据及成果见表2。计算结果表明：墙脚冲刷深度较深(约2.1m)，根据《水工挡土墙设计规范》(SL379-2007)，当挡土墙墙前有可能被水流冲刷的土质地基，挡土墙墙趾埋深宜为计算冲刷深度以下0.5m-1.0m，否则应采取可靠的防冲措施。因此，护脚抗冲刷深度按2.5m考虑，且须对护岸进行护脚分析。

2)护脚分析

为使护岸墙脚免受淘刷，常用的堤防固脚形式有格宾石笼、抛石护脚等。鉴于格宾石笼石材用量大，山区河流杂物多，网格易被破坏，且网格易钩挂杂物、垃圾，维护管理成本大，价格较昂贵，因此该工程采用抛石护脚，以便于城区小规模运输，其施工方便，成本较低。经计算，工程堤前护底块石的折算粒径d=13cm，计算稳定重量为40kg。护脚干砌石平台长度为4m。

3.4 堤岸结构稳定分析

重力式挡墙稳定计算应包括整体抗滑、抗倾稳定和地基应力计算等。各计算公式如下：

抗滑稳定计算：

(4)

抗倾稳定计算：

(5)

基底反力计算：

(6)

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；f为挡墙基础与地基间的摩擦系数；∑G为作用在挡墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；∑H为作用在挡墙上全部平行于基底面的荷载，kN；K0为抗倾覆稳定安全系数；∑MV为对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN·m；∑MH为对挡土墙基底前趾的倾覆力矩，kN·m；Pmax/min为挡墙基底反力的最大值或最小值，kPa；∑M为作用于挡墙上的全部荷载对于水平面平行墙面方向形心轴的力矩之和，kN·m；A为挡墙基底面的面积，m2；W为挡土墙基底面对于基底面平行墙面方向形心轴的截面矩，m3。

工况选择、计算结果见表3。计算表明：典型断面挡土墙抗滑、抗倾覆稳定安全系数、基底反力均满足规范要求，结构整体偏于稳定。挡墙基底应力最大值约153kPa，当挡墙基础坐落在中砂层或含卵石砾砂层时，地基承载力满足要求(160-300kPa)，不需进行地基处理；当坐落于筑填土层时，地基承载力特征值为80-100kPa，地基承载力不满足要求，故需进行地基加固处理。

表3 重力式挡土墙结构稳定计算表

3.5 地基加固处理

工程部分堤段护岸挡土墙建基面高程约为7.47-7.74m，建基面以下筑填土层厚约0.5-1.0m。建筑物基础直接位于筑填土层上，其承载力特征值仅为80-100kPa，低于建筑物基底计算所需的地基承载力，故必须对新建挡墙的地基进行处理。在软基处理中针对埋藏较深、厚度较薄的土层，根据以下几种处理方法的特点、性能、实际效果进行分析研究和比选，从中选出效果良好的软基处理方案：

1)基础换填方案：即采用人工或机械挖除堤下的全部软土，换填强度较高的黏土或砂、砾、卵石、片石等材料。换填法可以从根本上改善地基，不留后患，效果好，适用于软土层较薄、具有开阔的施工场地且易于排水施工的情况。

2)水泥土桩复合地基方案：水泥土桩主要有水泥搅拌桩和高压旋喷桩，两种桩型加固技术相似，都是利用水泥作为固化剂，利用不同施工机械，在地基深处就地将软土和水泥浆液强制搅拌，水泥和软土产生一系列物理化学反应，在土体中形成具有一定性能和形状的固结体，并与桩间土形成复合地基，以此提高地基的强度和增大变形模量[3]。水泥搅拌桩处理地基可使基础沉降均匀，基底不易产生脱空，基础处理费用低；但搅拌桩存在施工设备比较庞大，地基沉降相比其它方案较大、工期长、质量难以控制且成桩质量不匀、检测困难等缺点。高压旋喷桩处理地基可使基础沉降均匀，基底不易产生脱空，其施工设备相对较小，成桩质量好，但基础处理费用很高。

因该堤防工程建基面以下筑填土层埋藏较浅(0.5-1.0m)，可采用直接开挖换填砂碎石进行基础处理，处理后的地基承载力特征值≥160kPa。