珠江某河段堤防加固与除险工程设计实践

杨 丽

(广东宇源水利发展有限公司， 广东 梅州 514000)

河段堤防加固与除险工程，涉及物理学、力学、工程学等多个学科专业，该项工程建设需要统筹考虑、兼顾历史、因地制宜提出有效施工方案。同时，河道堤防加固与除险工程建设关系到人民生命财产安全，经济快速发展，与广大群众利益息息相关，必须做好科学管理，加强堤防工程施工质量的管控工作[1-3]。本文以珠江某河段为例对堤防加固与除险工程进行设计研究。

1 堤防项目概况

1.1 项目现状

本工程针对的是广州市珠江堤岸防护工程(后航道某段堤防加固)位于某村，起点为某海鲜城，终点为涌水闸出口，属于珠江后航道堤围的一部分。共需整治堤段全长522 m (自编桩号LT0+000～LT0+522)。工程所在区段内为珠江一级阶地，属珠江三角洲冲积平原地貌单元。堤防设计等级1级，防洪标准为200 a一遇洪水。

该段现状为浆砌石堤岸，西段170 m堤岸上为临时停车场和公园，东段330 m岸上为环村南路，道路北侧是村住宅区。旧堤外观基本完整，堤线顺直，堤顶高程3.3～3.5 m，已经达到设计标高。

一级平台以下的挡墙坡度1∶0.2,立面结构基本完好，局部混凝土压顶出现裂缝，砌石勾缝脱落；二级平台高程在1.1～1.6 m，宽度在2.0 m左右，平台多处因底部沉降出现裂缝。二级平台以下的挡墙坡度为1∶0.4，坡脚为散抛石户脚，然而因长年潮水冲刷掏蚀，多处形成归塌、空洞，破损较严重，形成安全隐患，需要加固改造。需要对这段长约522 m的地段进行加固。

1.2 不良地质现象分析

本次河堤段堤长522 m堤身填土主要要素填土，堤峰为双层结构，上部为淤泥质土或者淤泥质砂土，下部为中粗砂或砂质黏性土或者全风化混合岩。堤基上部为软土，下部为砂性土、黏性土或基岩, 或者中下部为砂性土、黏性土、基岩的组合，D类堤段至少存在一种主要工程地质问题，堤段工程地质条件差，本次勘察区域内均有揭露。D类堤段长约522 m，占堤段总长的100%。

堤防未见较为明显的变形破坏，堤外岸坡较为稳定，但在上部荷载作用下容易产生沉降变形、滑移或者侧向挤出破坏。本段堤基至少存在一种主要工程地质问题，堤段工程地质条件差，本次勘察区域内均有揭露，在施工过程中可能出现抗滑稳定问题和沉陷问题。注意堤顶加载对堤身及堤基产生的不利影响，需要对地基进行加固处理[1-3]。堤身填土存在密实度不够、渗漏、渗透稳定等问题；地震烈度为7°时，存在地震液化的风险；堤基存在渗漏和渗透变形的问题；由于砂层较厚，基坑开挖有可能产生管涌及渗透稳定问题。

根据本整治段的岩土工程特征和珠江水水头变化特征，建议采用钻孔灌注桩或预制桩，以岩层为桩端持力层。亦可采用高压旋喷桩或水泥搅拌桩，对淤泥质土层及淤泥质砂层进行地基处理。 堤外挡墙、护岸结构等如果需要用桩基处理[4]。

2 堤防重设思路

2.1 现有堤岸稳定性复核验算

(1)整体稳定性验算。 旧堤改造结构整体稳定计算采用中国水科院的边坡稳定分析程序STAB，应用瑞典圆弧滑动计算法。如表1，取桩号LT0+000、LT0+300、LT0+500所在的断面，分别按四种工况进行计算。

工况一：设计水位2.68 m，水位骤降1 m，堤顶超载10 kN/m2。

工况二：多年平均低潮水位-0.59 m(施工期)，堤顶超载20 kN/m2。

工况三：多年高潮水位0.79 m骤降1.00 m，堤顶超载10 kN/m2。

工况四：历史最低水位-1.64 m，堤顶超载10 kN/m2。

表1 旧堤整体稳定计算表

(2)基础应力验算及堤身扛倾、抗滑稳定计算根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)规定，堤身基础应力验算应用理正软件进行计算[5-6]。分上下两级堤防按上节四种工况进行计算，参数计算如下：

抗倾稳定计算，如式(1)：

(1)

式中：K0为抗倾稳定安全系数；Mv为抗倾覆力矩，kN·m；MR为倾覆力矩，kN·m。

抗滑稳定计算，如式(2)：

(2)

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；f为底板与堤基之间的摩擦系数；∑W为作用于墙体上的全部垂直力的总和，kN；∑P为作用于墙体上的全部水平力的总和，kN。

基底压应力计算，如式(3)：

(3)

式中：σmax(min)为基底的最大或最小压应力，kPa；G为垂直荷载，kN；A为底板面积，m2；M为荷载对底板形心轴的力矩，kN·m；∑W为底板的截面矩，m2·m。

由旧堤的计算成果表2可知，现有条件下，堤身的抗滑安全系数、抗倾安全系数是满足规范要求的，在不同的运用工况下，基础平均应力在30.14～61.84 kPa之间，地基应力最大值为86.28 kPa，小于修正后的地基容许承载力100 kPa，满足承载力要求但由于地基情况较差，其整体稳定性不满足规范要求。因此本次工程加固的重点是提高地基的整体稳定性，改善二级平台砌石松散现状[4]。

2.2 堤防加高验算

堤顶高程按设计洪(潮)水位加堤顶超高确定。按式(4)计算：

Z=Zp+Y

Y=R+e+A

(4)

式中：Z为堤顶高程，m；Zp为频率为p的设计洪(潮)水位，m；Y为堤顶超高，m；R为设计波浪爬高，m；e为设计风壅增水高度，m；A为安全加高，m。

根据本次设计规范要求，并结合广州具体情况，根据珠江多年来的水位涨落特点以及珠江堤防整治经验，与城市水景观建设相协调，规划调整堤顶超高值，堤顶超高采用0.5 m，设计高程取整为3.2 m。本次加固改造的该段堤岸，现状高程在3.3～3.5 m，均已整治达到设计际高。

表2 一级平台不利断面计算成果表

2.3 初步加固方案

本工程整治长度为522 m,设计按照规范要求，同时结合广州市具体情况，并根据珠江多年来的水位涨落特点以及珠江堤防整治经验，与城市水景观建设相协调，规划调整堤顶超高值[7]。

二级平台靠近浆砌石挡墙的一侧，做宽400 mm,高500 mm的混凝土花槽，种植水生植物，以提高其生态性和美观性[7]。保持原堤脚抛石顶高度，宽度4.1 m。在堤脚位置设置三排直径0.6 m的旋喷桩，顺堤线方向桩间距1.2 m，垂直底线方向桩间距1.5 m 布置，以提高堤岸的整体稳定性。在二级平台下进行固结灌浆，单排间距2.0 m,灌浆到-1.0 m，提高二级平台浆砌石挡墙的整体性。

3 加固断面设计及稳定性验算

3.1 加固断面设计

根据本工程的堤岸现状以及对堤岸稳定分析的情况，堤岸整治、加网方案在断面形式上仍采而已经完成整泊堤岸的梯形断面型式，根据不同段的现状采取以下方案：

对一级平台压顶及墙面勾缝破损位进行修复，原有二级平台的混凝土护面拆除200 mm，做新的C25钢筋混凝土护面，并统一到1.40 m高程，原来水平台以下的浆砌石挡墙，墙面凿毛后，重新抛填块石，坡度1∶2，然后在其上铺设钢筋网，新做厚度200 mm的C25钢筋混凝土护面，提高抗冲刷能力。二级干台靠近浆砌石挡墙的一侧，做宽0.4 m，高0.5 m的混凝土花槽，种植水生植物，以提高其生态性和美观性。堤脚部分设置抛石至原高程，宽度4.1 m。在堤脚位置设置直径0.6 m的旋喷桩，桩底高程-16.9 m，顺堤线方向桩间1.2 m，垂直底线方向桩间距1.5 m布置，以提高堤岸整体的稳定性，在二级平台下进行一排深至-1.0 m的充填灌浆，间距2 m加强二级平台砌石的整体性。

该方案维持了堤岸风格的一致性，又修复了已破损的原浆砌石挡墙，而且从根本上解决了原地段整体稳定性不足的问题，固结灌浆增强了砌石的整体性[7]。高压旋喷桩具有成桩速度快、效率高、施工无振动、无噪音等优点；但是施工过程中容易造成水泥浆流失，污染环境。

3.2 稳定性验算

新堤改造结构整体稳定计算采用中国水科院的边坡稳定分析程序STAB，应用瑞典圆弧滑动计算法。取桩号LT0+000、LT0+300、LT0+500所在的断面，如表3，分别按文中四种工况进行计算。

表3 新堤整体稳定计算表

由计算结果可知，加固后的新堤防能够满足规范规定的整体稳定性的要求。

4 堤防整体加固治理方案

4.1 地基处理设计

根据工程现状及地质条件分析，堤防二级平台处因底部沉降出现多处裂缝，破损较严重，故整治堤岸时预计在二级平台处进行固结灌浆以提高其整体性，灌浆底高程为-0.1 m,灌浆注浆材料以水泥为主剂，水泥浆液水灰比为1.0∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1四个比级，视吃浆率的情况逐渐加浓，如需要灌注水泥砂浆，掺砂量不宜大于水泥重量的100%,注浆孔按2.0 m间距布置，灌浆孔径为460.0 mm，孔深为2.2 m。注浆压力由低到高缓慢逐渐增加，最大不超过0.2 MPa。

现状堤防护脚为散抛石护脚，然而因长年湖水冲刷掏蚀，多处形成归塌、空洞，破损较为严重。经计算，现状堤岸的整体稳定性不能满足要求。为了提高其整体稳定性，预计在距离抛石护脚手台起点500 mm处打入三排直径为600 mm的旋喷桩，桩底高程-16.9 m，顺堤线方向桩间距为1.2 m，垂直堤线方向桩间距为1.5 m。经计算，旋喷桩打入后，复合地基土的等效内聚力为25.14 kPa，等效内除擦角为20.92°，地基土强度有了很大的提高，堤岸的整体稳定性已满足安全要求。施工过程中，旋喷桩采用双管高压旋喷,要求桩身28 d龄期无侧限抗压强度不小于1.4 MPa，水泥采用P·O42.5级，水灰比为1.0∶1.5，每米水泥浆用量为30 kg[8]。

4.2 工程堤线选择

本次河段长为522 m，利用现有堤岸线，因地制宜，坚持以下原则，采取工程措施，衔接前后堤段的结构；尽量少占地、少拆迁、少砍伐树木，降低征地拆迁赔偿费用；堤岸的改造要与前后段风格相一致；工程布置充分考虑生态环境保护和可持续发展的要求，与绿化景观规划相结合，力求与整体布置相协调。本次设计利用现有堤线，仅对局部破损位置进行适当的加固。

4.3 交叉建筑物衔接设计

该段堤岸交叉建筑物主要有地铁线及隧道。根据收集到的资料，距该两处一定范围内，堤岸不允许打桩处理[9]。隧道位于该段堤岸的起始位置，为了不对其产生影响，选择在距离其25 m范围外开始打桩，即从桩号LT0+025开始打旋喷桩。地铁线位于桩号LT0+300与LT0+400之间，根据地铁公司提供的资料要求，预计在地铁外结构线10 m之外打桩，这样不会影响到地铁的安全运行。

河涌两岸采用圆弧段与新岸线顺接，使其符合美观、河道顺接的条件。对于沿岸排水涵、管，由于堤岸施工时岸边建设无法与珠江整治保持同步，因此原有排水管口尚应保留，设计中采用现浇混凝土箱、预制管将排水涵、管接至新堤边。

4.4 观测点设计

变形观测包括水平和垂直位移监测。为达到变形观测目的，设置观测工作基点2个，布置在整治范围内的堤顶钢筋混凝土结构上。为保证工作基点的可靠性，在整治范围外的固定地点布置水准基点2个。观测工作点布置在二级平台顶部，分别布置结构变化处。并在工程起点处，设置水位标尺一杆作为水位观测点。

5 结 语

河道堤防与除险加固工程能够防止堤防险情对人民生活造成影响，同时保证河流发挥经济和社会效益；这是一项长期性、长效性、常态性工作，需要科学研究、合理施工。本文对珠江某河段的河道堤防与除险加固工程的深入展开了一套问题现状分析、稳定性验算复核、重新规划设计的研究思路，为类似的堤防加固设计研究提供了创新性经验。

同时河道河堤工程往往承担了城市水系生态景观的重要功能，本文在研究中堤防景观设计方向较少，这也是今后堤防设计中的重要研究方向。