城区段堤防加固相关设计问题及创新应用的思考

张 策，姚怡斐

（1.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 310020；2.浙江省钱塘江流域中心，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

随着城市经济的快速发展，城区堤防工程的重要性逐步提高，显现出来一些问题：一是高程未达标。部分地区一方面由于上游的规划工程一时无法完全落地，一方面由于自身沉降、交叉建筑物的兴建等原因导致水位壅高，致使现状堤防无法达到原设计的防洪标准。二是堤身不密实。在上一轮堤防建设中，主要侧重老堤加固或堤防新建。老堤多为杂填土，渗透系数大，存在渗流安全隐患；新建堤防的堤身多为吹填土，压缩系数较大，经多年运行后，堤身土方与上部硬质化堤顶逐渐脱开连接，形成堤身空洞。三是制约因素多。由于城区段堤身背水坡现状景观绿化普遍完好，且堤顶已作为周边居民与水环境连接的重要纽带，所以在建设时需要考虑既不破坏现状堤身背水坡上部的景观设施，又不能在堤顶加高后阻断人与水的和谐关系。

曹娥江为钱塘江下游的最大支流，由南向北流经绍兴市新昌县、嵊州市，至上虞区注入钱塘江。其中上虞城区段堤防起始于铁路大桥，终止于舜江大桥，两岸全长约5 km，该段堤防已于2000—2005 年实施城防建设工程，历经约20 年的运行管理后，堤防已逐渐出现上述问题。本文以上虞区曹娥江（城区段）堤防的建设现状为基础，以安全为出发点，结合景观、民生等要素进行分析梳理，对城区段堤防提出改造提升的方案设想，总结创新点，为相关城区段工程的设计工作提供新思路（见图1）。

图1 本文分析思路图

2 堤顶加高

2.1 方案设想

堤顶加高的设计方案本质上是将设计堤顶高程加高与降低人水之间高差两个方面相统一。上虞城区段堤防的堤顶小挡墙高0.7 m，根据规划[1]及相关安全评价报告[2]的计算，本段堤防需在此基础上加高约1.0 m。考虑到高差较大且工程位于城区，若将现状0.7 m 高的小挡墙按照传统的混凝土方案加高至1.7 m，则较大程度上影响周边居民与曹娥江的人水和谐关系。因此，本文提出2 种方案：一是采用移动式防洪墙方案（见图2），高水位临时加高，低水位时则拆除恢复原状[3]；二是采用箱型堤顶加高方案（见图3），即堤顶小挡墙采用玻璃栏杆加高[4]，堤顶路面同步采用箱型钢筋混凝土加高以消除高差。设计方案比选见表1。

图2 移动式防洪墙方案图

图3 箱型堤顶加高方案图 单位：cm

表1 堤顶加高方案比选表

方案的选择主要从以下考虑因素出发：一是结构安全性。箱型堤顶加高不仅可通过减载提高安全性，还可以在后续的堤防提标工程中留有安全裕度。二是施工连续性。考虑到堤顶同样需要开挖以进行防渗及加固处理，可结合箱型堤顶加高方案一并实施。三是工程影响力。城区段堤防工程的线路长、投资大，而本工程中除堤顶以外均为隐蔽工程，在箱型堤顶加高方案实施后，人与水之间无实体小挡墙阻隔，消除了视觉障碍，此外，下部设有埋地照明系统，为市民增加夜间游玩及休憩空间。

2.2 方案创新设想说明

在安全性方面，通过箱型结构置换土方以减少堤顶荷载，从而削减堤身下滑力，减缓老挡墙后侧土压力，提高堤身整体稳定系数；在便民性方面，增加堤顶高程的同时削减人水高差，保护现状景观及周边建筑的完整性，在箱体顶部布设灯光设施，内侧箱体可作为防汛仓库或便民设施存放点，提供“地下储藏室”功能，加强应急抢险与防汛储备保障。

3 堤身防渗及加固

上虞城区段堤防主要分为2 类：一类为杂填土区段。部分区段的堤防大多是在早期土埝的基础上经多次加修而成，由于受当时技术、设备和社会环境等条件限制，筑堤质量不一，往往表现为堤身存在较多不均匀体、松散体，渗透系数大且堤身狭窄，存在渗流安全隐患。另一类为吹填土区段。在上一轮建设中，部分堤身土方采用吹填土，吹填土为软土，压缩系数较大，而本区段堤防的堤顶为硬质结构，其外河侧支撑于挡墙上部，沉降较小，历经多年运行后，堤身土方与上部硬质化堤顶逐渐脱开连接，形成沉降差，已经成为堤防安全度汛的薄弱环节。

以问题为导向，针对杂填土区段进行堤身防渗方案比选，对吹填土区段进行堤身加固方案比选。

3.1 堤身防渗

3.1.1 方案设想

堤身防渗加固方面，重点需要考虑以下4 个因素：一是施工质量的可靠性。采用高压旋喷桩防渗有施工质量隐蔽性大、防渗不明显以及污染环境等缺点[5]。二是周边环境的敏感性。由于本工程位于城区，对污染、噪声等要求较高。三是项目投资的合理性。本工程重点为防渗，对防渗材料的防渗性能要求高，而对其支护能力要求不高，需因地制宜采用合理方案确定投资。四是工程地质的复杂性。根据地勘报告说明[6]，杂填土区段的堤身填土以黏性土为主，中间局部夹杂碎石及块石，该地质条件对方案选择的制约性较大。

本次主要对2 种方案进行比选：一是采用拉森钢板桩垂直防渗的方案（见图4）。拉森钢板桩是一种强度高、自重轻、隔水性好且施工周期短的材料，在水利工程施工中得到广泛应用[7]。二是采用塑钢板桩垂直防渗的方案（见图5）。高强度塑钢板桩（以下简称塑钢板桩）采用强化复合材料经特殊工艺一次性挤压成型，有材质轻、隔水性能好、抗老化、耐腐蚀、施工快捷、使用寿命长等优点，还具备施工占地面积小、便于搬运堆放、绿色环保无污染等优势，有利于生态环境保护[8]。设计方案比选见表2。

表2 堤身防渗方案比选表

图4 拉森钢板桩垂直防渗方案图 单位：cm

图5 塑钢板桩垂直防渗方案图 单位：cm

拉森钢板桩与塑钢板桩均具有良好的防渗性能，但塑钢板桩投资较省且环保无污染，推荐使用塑钢板桩组成垂直防渗体。

3.1.2 方案创新设想说明

由于塑钢板桩自身强度不高，施工中需要在其外侧嵌入一个钢制送桩板，通过打桩机一并振动入土，插打完毕后送桩板抽回，通过对送桩板的重复利用来辅助塑钢板桩施工[8]。

考虑到沿线堤身填土局部夹杂碎石及块石等硬质层，送桩板无法携带塑钢板桩插打到设计要求的深度。因目前不确定沿线硬质层范围，本次单独采用送桩板沿线预插打，遇到硬质层则采用旋挖钻机按照设计深度实施钻机引孔工艺，施工平面布置见图6。引导孔采用跳打成孔，施工顺序为1#孔→2#孔→3#孔→4#孔→5#孔，孔直径80 cm，孔与孔之间交叉重叠10 cm，成孔后采用送桩板携带塑钢板桩进行插打，最后完成全线防渗结构施工。

图6 钻机引孔施工平面布置图

本次不仅有创新性地提出采用新材料塑钢板桩进行垂直防渗，还根据不利的地质条件提出采用送桩板与旋挖钻机相结合的成孔施工工艺，既破解了施工难题，又有效减少了工程投资。

3.2 堤身加固

3.2.1 方案设想

由于堤身为吹填土，土体抗剪强度较低，经过近20 年运行，近期堤身内部已出现空洞（见图7）。此外，原设计为混凝土灌砌块石的老挡墙已部分出现破损，局部土方从块石缝隙中流出，造成堤身土方的水土流失（见图8）。

图7 堤身空洞图

图8 墙身破损图

针对上述问题，建议采用水泥灌浆方案，包括老挡墙迎水面注浆加固、老挡墙下部土体斜向注浆加固以及老挡墙后侧堤身土体竖向加固，具体方案见图9。

图9 堤身加固方案示意图 单位：cm

3.2.2 方案创新设想说明

考虑到老挡墙表面条石结构的完整性以及尽量不破坏堤防面貌的原则，在堤身进行大孔径钻注浆孔显然不合适，而手持式与小功率台式钻机存在钻深超过1.5～2.0 m 后动力明显不足、极易卡钻、功效低的缺点。虽然大功率台式SG220F 钻机无上述缺点，但存在钻深后钻杆晃动、卡钻、定位膨胀螺丝影响堤防外观的缺点。本次建议采用增加特制底座的混凝土取芯钻机[9]，当钻孔直径为2 cm 时，实际最大钻深可达37 cm，满足灌浆需求，经测算分析，钻孔直接费用成本为107 元/m（见图10）。

图10 底座经过改制的台式混凝土取芯钻机图

4 结论

（1）近年来，随着保护区重要性的提高及上下游交叉建筑物的兴建，城区段堤防需要提标加固，需要解决的关键环节有：堤顶加高、堤身防渗、堤身加固。此外，由于位于城区段，在设计中还需考虑保持堤防外貌、不增加人水高差等因素。

（2）在堤顶加高方面，需将设计堤顶高程加高与降低人水高差2 方面进行统一。建议采用箱型堤顶加高的方案，可同步提高堤顶路面高程，减缓老挡墙土压力，其独特的箱体结构可同时提供堤顶路面灯光以及“地下储藏室”功能，满足城市化进程及防汛物资储存需求。

（3）在杂填土区段的堤身防渗方面，为提高隐蔽工程施工质量的可控性，采用新材料塑钢板桩垂直防渗。在地质条件较差区段，采用送桩板与旋挖钻机相结合的成孔施工工艺，既破解了施工难题，又有效减少了工程投资。

（4）在吹填土区段的堤身加固方面，通过水泥灌浆对老挡墙及后侧土体进行竖向加固。其中对老挡墙墙身加固需采用小直径钻孔进行注浆，推荐采用增加特制底座的大功率台式SG220F 钻机，解决钻深后钻杆晃动明显甚至卡钻、定位膨胀螺丝影响堤防外观的问题。