水泥土搅拌桩在二滦河河口堤加固中的应用

2021-09-07孙蓬勃马思齐

水科学与工程技术 2021年4期

徐磊，孙蓬勃，马思齐

（河北省水利规划设计研究院有限公司，石家庄 050021）

1 项目概况与地质条件

1.1 项目概况

乐亭县二滦河右侧河口堤位于二滦河入海口，长度约4km，与二滦河上游的右侧防洪小埝相接，形成了相对封闭的防洪体系，旨在减轻低标准洪水、潮水对滦河行洪滩地的威胁。堤防始建于唐山大地震后，防洪标准不足3年一遇，堤身平均堤高不足2m，平均堤顶宽度4～6m，边坡坡比陡于1∶3，堤身土质不均，以壤土、粉砂和细砂为主。该段堤防的治理标为10年一遇。

该河段河口堤迎、背水侧堤线分布有养殖坑塘，顺堤长度1.21km，现状坑塘深度3～5m。该段原河口堤宽度约6m，堤身以壤土为主，厚度约2m，堤身下部及两侧坑塘底部均为细砂。由于近些年两侧养殖池扩挖后的弃土堆放至河口堤两侧边坡，经自然沉降和植被保护等原因，逐渐形成较为稳定的现状路，路面两侧现状坡比为1∶1～1∶2，现状路面宽度约9～20m。

1.2 地质情况

堤基岩性主要由黏土、壤土、淤泥质黏土、淤泥质壤土、粉砂、细砂、中砂等组成，其中场区上部为第四系全新统上段冲洪积层，厚度较薄，黄色为主，稍湿～湿，黏性土的土质较软，呈软塑～可塑状态，局部硬塑，砂土呈松散～中密状态；场区中下部为第四系全新统中段海相沉积层，为灰色或灰黑色等，以粉细砂为主，夹淤泥质黏土或淤泥质壤土层。砂性土多呈中密～密实状态。淤泥质土为灰黑色，呈软塑～流塑状态，土质软弱。

本段二滦河内有大量地表水。钻孔揭露地下水位在堤顶以下埋深约1.2～4.2m，在两侧地面以下埋深0～1.3m，地下水位高程范围为1.44～-0.95m。

现状河口堤典型地质剖面详如图1，堤身及堤基土层的主要物理力学参数建议值如表1。

图1 河口堤典型地质剖面横断图

表1 堤身及堤基主要物理力学参数建议值

2 设计方案

为了避免增加较多的永久占地，经与建设单位沟通，对上述范围的堤防防护结构进行调整。由于迎水侧坑塘较连续，坑塘内现状水位较高，背水侧正常养殖坑塘较少，且水位相对较低，考虑到征迁难度、施工导流、排水等综合因素，调整方案在确保迎水侧岸坡稳定的前提下，尽量避免干扰迎水侧坑塘正常养殖。

原设计方案考虑在现状河口堤堤身背水侧复堤，由于现状河口堤堤身为壤土，可有效地防止堤身渗透破坏。本次变更方案堤线向迎水侧方向进行了调整，堤身迎水侧边坡为坑塘开挖的砂性土，宜与堤基形成连续透水地层，须增设相应的截渗措施。由于迎水侧坑塘水位较高，下部为透水堤基，施工围堰及排水措施效果较差，堤防填筑及护脚施工较困难，施工质量无法保证，且易对坑塘养殖造成影响，因此须在迎水侧现状堤顶设垂直截渗措施。

2.1 方案选定

从防渗透功能考虑，由于堤防迎、背水侧均为坑塘，迎水侧坑塘现状边坡和堤防以下均为砂性土，为避免堤防渗透破坏，须在迎水侧采取必要的垂直截渗措施。水泥土搅拌桩作为止水帷幕最常用材料，有以下优点：①水泥土渗透系数小，可有效增加堤防渗径，降低水力渗透坡降；②由于该段堤埝高度较小，迎水侧现状边坡基本已自然固结，桩位处土层不会产生滑动，搅拌桩桩身不受水平剪力作用；③从施工工艺考虑，根据地质勘察成果和JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》，本段河口堤两侧及现状坑底以细砂为主，呈松散～中密状态，水泥土搅拌桩适用于松散、中密状态的粉细砂，成桩工艺相对简单；④从施工方面考虑，水泥土搅拌桩施工难度小，对施工场地占地的要求低。综上所述，垂直截渗方案采用水泥土搅拌桩作为止水帷幕。

2.2 水泥土搅拌桩结构

根据SL265—2016《水闸设计规范》，水泥土搅拌桩防渗墙的最小有效厚度宜大于0.35m，因此沿现状堤顶迎水侧布置一排搅拌桩，桩体纵向搭接咬合布设，桩径为600mm、桩间距均为450mm，等效防渗厚度约400mm。桩轴线距现状堤顶坡肩3m，桩顶为现状河口堤堤顶以下0.6m。根据地质勘察成果，垂直防渗体底高程应伸入相对不透水层，由于本段地层均为细砂，堤基以下1～2m砂层为中密；根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》，水泥土搅拌桩作为提供稳定性的措施时，桩长应超过危险滑弧以下长度不小于2m。根据堤防稳定计算中最危险滑弧位置，确定桩长为8m。

搅拌桩桩后挖除桩顶高程以上现状河口堤迎水侧砂性土，采用剥岩土对现状河口堤进行加高培厚。考虑到桩前现状边坡较陡，存在浅层滑动的可能，对迎水侧边坡采用石笼防护，防护结构自上而下分别为50cm厚钢丝石笼、10cm厚砂砾石垫层和土工布，防护顶高程至设计水位以上0.5m；为形成封闭的防渗体，桩顶以上护坡设两布一膜复合土工膜防渗。典型横断面如图2。

图2 水泥土搅拌桩垂直防渗典型横断面图

2.3 堤防稳定计算

2.3.1 渗透稳定计算

（1）渗透变形类型判别。根据地质勘察成果，根据本段土层的工程特性及结合工程实践，砂性土渗透变形的类型主要为流土，各土层允许水力比降建议值为：壤土0.40、砂壤土0.35、粉砂0.28、细砂0.25。

（2）出逸坡降计算。渗流浸润线计算采用有限元法进行计算，应用《水工结构有限元分析系统》（河海大学工程力学研究所研制）进行渗流场、渗流浸润线分析计算。作为边坡稳定分析的基本条件。

（3）渗透计算工况。根据GB50286—2013《堤防工程设计规范》渗流及渗透稳定计算中规定，拟定渗透稳定计算工况如下：

工况①：稳定渗流计算，临水侧为二滦河10年一遇设计水位，背水侧无水时，复核堤防背水坡出逸比降。

工况②：非稳定渗流计算，临水侧由10年一遇设计水位经历48h后，降至无水时，对临水侧堤坡稳定的不利影响，复核堤防临水坡渗透出逸比降。水泥土搅拌桩布设前、后渗透稳定计算成果详如表2，表3。

表2 水泥土搅拌桩布设前渗透稳定计算成果

表3 水泥土搅拌桩布设前渗透稳定计算成果

对堤防断面的渗流稳定计算分析得出，垂直截渗措施布设前堤坡出逸比降大于允许水力比降，渗透稳定不满足要求；增加垂直截渗措施后，出逸比降均小于允许水力比降值。因此垂直截渗措施可以有效降低背水侧堤坡出逸比降。

2.3.2 边坡稳定计算

2.3.2.1 断面选择及参数选取

边坡稳定计算分段，以地表至堤基下一定范围内的土岩体地质岩性资料为主要依据，同时考虑堤防填方高度情况，尽量使每段内各项物理力学参数相近。根据相关资料，选取3个典型断面进行计算。

筑堤土c，φ，γ值，采用料场土料击实试验成果。堤基岩性及c，φ，γ根据地质勘察成果取值。浸润线采用渗透稳定中计算结果。

2.3.2.2 地震荷载确定

根据国家地震局GB18036—2015 《中国地震动参数区划图》确定，工程区地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期0.35s，相当于地震基本烈度Ⅶ度。堤埝工程等级为5级，不考虑地震荷载。

2.3.2.3 堤防抗滑稳定计算

抗滑稳定计算采用简化毕肖普法计算公式：

式中 W为土条重量；V分别为水平和垂直地震惯性力（向上为负，向下为正）；u为作用于土条底面的孔隙压力；A为条块重力线与通过条块底面中点的半径之间的夹角；b为土条宽度；c′φ′分别为土条底面的有效应力抗剪强度指标；MC为水平地震惯性力对圆心的力矩；K为圆弧滑动稳定的安全系数（工况不同，取值不同）；R为圆弧半径。

2.3.2.4 计算工况

根据堤段所处的工作状况和作用力性质，拟定边坡稳定分析计算工程如下：

（1）正常运用条件。 ①河道内10年一遇设计水位，堤外无水时，复核堤防背水坡稳定；②河道内10年一遇设计水位骤降期，复核堤防临水侧边坡稳定。

（2）非常运用条件Ⅰ：施工期，堤埝内外均无水，复核堤埝临水坡、背水坡稳定。

2.3.2.5 安全系数

根据GB50286—2013 《堤防工程设计规范》，土堤边坡抗滑稳定采用简化毕肖普法时，5级堤防边坡安全系数不应小于下列数值：

（1）正常运用条件Ⅰ：1.20。

（2）正常运用条件Ⅱ：1.20。

（3）非常运用条件Ⅰ：1.10。

水泥土搅拌桩布设前、后堤防边坡稳定计算成果如表4，表5。