某河道清淤桩布设方案研究

陈昌泽，顾 洋，董联杰，刘战锋

(1.浙江华东工程建设管理有限公司，浙江 杭州 310000；2.华北水利水电大学 岩土工程与水工结构研究所，河南 郑州 450046)

随着我国社会的快速发展，城市人口数量激增，大大超出了城市基础设施的承载能力，给城市的发展建设造成了一系列的问题，其中最引人瞩目的就是城市黑臭水体问题[1]。如今，人们越来越重视城市生态空间的建设，这就使得城市河道清淤的重要性日益突出。城市河道清淤的周围环境条件极其复杂，如果支护方案选择不当，严重时将诱发临近建筑物变形、临近道路裂缝以及诱发周围环境产生其他影响问题，河道清淤的研究工作主要集中在其自身的安全稳定问题，如河道内土体变形规律、安全与稳定以及围护结构变形等。在河道清淤时，为保证河道两岸的稳定性，往往采用支护桩等支护型式。俞文虎等[2]以有限元法为基础，采用桩单元模拟桩对复杂边坡不同桩间距抗滑桩支护效果进行仿真分析，发现在抗滑桩设计中，桩间距既不能过大亦不能过小;桩间距过大，则治理效果较差，拱效应作用微弱;桩间距过小，则施工困难，费用增加，对原状坡体的扰动增大。杨贞贞等[3]以贵州省剑河清水江防洪堤项目为例，基于FLAC3D下的数值计算方法研究加筋格宾挡土墙的力学特性及安全稳定性，并结合挡土墙施工过程及不同河道水位下工作情况，分析数值拟合不同参数对加筋格宾挡土墙影响的结果合理性，揭示各工况、不同参数下挡土墙的力学特性及安全稳定性。俞晓等[4]根据强度折减法，运用ABAQUS有限元分析软件探讨抗滑桩截面尺寸以及桩侧摩阻对边坡稳定性的影响，指出实际抗滑桩工程中控制和优化桩的有效截面尺寸，采用多桩减宽的方式将是经济有效的。雷宁等[5]针对具体工程开展岸坡防护措施研究，并借助有限元数值软件FLAC开展岸坡防护与坡体稳定性影响参数分析，得出岸坡随坡度增大安全稳定系数逐渐降低，但最大位移量与稳定性关联性并不显著；岸坡表层应力为0，坡身内部存在负应力值，并随深度增大，应力值递增。文章基于涵江区都邠沟河道整治工程，利用FLAC3D软件探讨了不同桩支护距离方案的选择，以期为城市河道整治提供借鉴。

1 工程概况

1.1 都邠沟河道特点

都邠沟位于莆田市涵江区，流向为自西北向东南。起点处都邠村段临河而建密集排布的1～3F砖混民居及临时板房；中段两岸以农田及建筑工地为主；尾段高林街至终点段，左岸为已建1～3F砖混民居及莆田十七中操场，右岸多为荒地，两岸沿河已建砌石挡墙，顶宽约0.60m，高出河面约1m。

1.2 工程地质条件

工程地貌单元属于海相沉积及海陆交互相沉积地貌单元。根据钻探揭露及室内土工试验，该工程区内覆盖层主要由杂填土、粉质黏土、淤泥、残积砂质黏性土等组成，具体分布情况如下所述。①杂填土：以杂色、灰色为主，松散，稍湿，由黏性土、碎砾石及建筑垃圾等组成，局部表层含有生活垃圾，粗硬质含量占40%～60%，上下分布不均，未经碾压夯实。②粉质黏土：以黄棕色，灰黄色为主，可塑，以粉黏粒为主，无摇振反应，切面光滑有光泽，干强度中等，韧性中等。③淤泥：灰黑色，流塑，污手，略有腥臭味，切面光滑有光泽，无摇振反应。局部钻孔的淤泥中含有少量粗砂，粒径为0.50～2mm。④残积砂质黏性土：以褐黄色、灰黄为主，可塑，切面可观察到原岩结构，以黏性土为主，残留少量石英颗粒，约占10%，稍有光泽反应，干强度中等，韧性低。

1.3 计算断面形式

本次支护距离方案比选采用都邠沟临时清淤设计方案中的河道清淤断面，支护型式为仿松木桩(C25钢筋砼)+斜坡。其中仿松木桩桩长6m，桩径为0.30m，沿河道密排布置，仿松木桩至挡墙的距离有三种方案：1、3、5m。

2 数值分析

2.1 数值计算模型

利用FLAC3D程序分析仿松木桩至挡墙不同距离时的河道护岸变形特征。计算模型以都邠沟左岸基础底板背水侧一端为起点，在垂直河道方向取18.60m作为计算模型的x方向，背向挡墙一侧为正；在沿河流方向取8m作为计算模型的y方向，指向河流下游方向为正；在竖直方向取10.50m作为计算模型的z方向，竖直向上为正。现状挡墙高度暂无，根据实际情况推算，在计算模型中高度取为0.90m。

计算模型单元数为15456个，节点数为18234个。土层材料本构模型采用Mohr-Coulomb模型，现状挡墙、仿松木桩及块石采用Isotropic Elastic材料模型，简化方法与文献[6]一致。边界条件为模型底部变形全部约束，四个侧面均约束法向位移。另外，对模型坡顶1m外施加10kPa均布荷载，即现状挡墙外侧1～6m范围内。如图1所示。

图1 数值计算模型

2.2 计算参数

根据工程地质勘察报告、区域经验、相关规范计算等资料，采用的参数见表1。

表1 计算参数

2.3 施工工况

(1)工况1：在距离挡墙边1m(3m，5m)处，采用6m仿松木桩进行支护。

(2)工况2：河道排水，挡墙后侧为地下水位，墙前无水。

(3)工况3：土方回填放坡，坡比为1∶4，并用植草护坡等方式对岸坡进行保护。

(4)工况4：河道清淤，清淤厚度为60cm。

(5)工况5：仿松木桩附近2m，清淤60cm后进行块石挤淤，挤淤厚度为70cm。

2.4 模拟结果分析

河道排水后，由于挡墙临水侧失去了抵抗背水侧主动土压力的静水压力，现状挡墙及其下粉质黏土整体向河道一侧水平移动，最大水平位移达到2.30cm，如图2所示。现状挡墙后方土体发生沉降，沉降范围延伸至挡墙底部，最大沉降位移达到1.67cm，在右侧河道内，由于河水排出，土体发生卸荷回弹，其回弹位移最大为6.12mm，如图3所示。此时护岸位移较大，河道排水后可能会出现塌岸现象，故在河道排水前，需进行桩基施工。

图2 河道排水后水平位移

图3 河道排水后竖向位移

采用仿松木桩支护排水后，桩周一定范围内的土层密实度得到提高，起到挤密作用。应力向桩体逐渐集中，桩周土体所承受的应力相应减少，大部分荷载由仿松木桩承受。此时现有挡墙及其周围土体不再有较大位移发生，如图4—5所示，河道护岸稳定，可以进行清淤工作。

图4 仿松木桩支护河道排水后水平位移(1m)

图5 仿松木桩支护河道排水后竖向位移(1m)

河道清淤等工况完建后，支护方案一中最大水平位移出现在仿松木桩及其背后下方的土体，最大值约为5.50mm，河道内土体由于清淤卸荷回弹，其回弹位移最大为7.67mm，如图6—7所示，由于桩身材料为C25混凝土，其发生较大水平位移，河道清淤后有可能会出现塌岸现象。

图6 支护方案一水平位移

图7 支护方案一竖向位移

支护方案二中，最大水平位移出现在仿松木桩及其背后下方的土体，最大值约为2.47mm，回填土体在自重的作用下，其最大沉降位移为3.67mm，河道内土体由于清淤卸荷回弹，其回弹的位移最大为4.56mm，如图8—9所示，支护结构对河道两岸起到支撑保护作用，根据实际工程的要求，此时河道两岸已达到稳定。

图8 支护方案二水平位移

图9 支护方案二竖向位移

支护方案三中，最大水平位移出现在仿松木桩及其背后下方的土体，最大值约为1.89mm，回填土在自重的作用下，其最大沉降位移为4.52mm，河道内土体由于清淤卸荷回弹，其回弹的位移最大为3.75mm，如图10—11所示，此方案支护效果略好于方案二。

图10 支护方案三水平位移

图11 支护方案三竖向位移

3 方案比选

综上所述，方案二、方案三的河岸稳定性满足工程要求，且仿松木桩距离挡墙越远，对于稳定更加有利。方案一中仿松木桩支护距离挡墙1m，清淤完建工况的稳定性不满足工程要求。从安全稳定、不占河道、节约时间和成本等多方面考虑，本次清淤支护推荐方案二，即仿松木桩距离挡墙间距为3m。

4 结论

本次河道清淤断面采用仿松木桩(C25钢筋砼)+斜坡的支护型式，在河道清淤排水前，需进行桩基施工，且仿松木桩距离挡墙越远，河道支护结构变形越小，对于稳定更加有利，当仿松木桩的距离增加到一定程度时，支护结构的变形受支护距离变化的影响减弱，选用支护方案时，应从多个方面综合考虑。当安全性满足时，应选择有利于施工、能够节约时间和成本的支护方案。利用有限差分软件FLAC3D对河道清淤的不同工况进行数值分析，可以更好地协助分析和判断施工的具体情况，确保清淤工程的安全性，尤其是对于邻近建筑物密集的河道。另外，在此基础上，可以选择经济性和生态景观性较优的支护方案。