徐州市奎河上游段護岸加固改造措施研究

董學(xué)剛，沈 印

［上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引言

奎河起源于徐州市云龍湖，向南流經(jīng)銅山區(qū)，在三堡鎮(zhèn)黃橋閘下進入安徽省，為淮河流域重要的跨省界河流之一。由于兩岸雨污合流、截污管網(wǎng)老化且市區(qū)段缺乏有效補水等問題存在，現(xiàn)狀水質(zhì)較差。同時兩側(cè)護岸年久失修且結(jié)構(gòu)單薄，多處已變形嚴重，存在發(fā)生滑坡的危險性。故為進一步提升市區(qū)奎河的水安全、水環(huán)境及水生態(tài)質(zhì)量，將奎河流域打造成集親水、生態(tài)、旅游和亮化于一體的廊道，徐州市政府緊緊圍繞“凈水、添綠、展文、便民”的目標定位，實施了徐州市區(qū)奎河綜合整治工程。該工程奎河以袁橋閘為界分為上、下游兩段，現(xiàn)研究對象為河道上游段護岸。

1 關(guān)鍵點及難點

（1）地質(zhì)條件復(fù)雜：沿線地層分布起伏較大，巖層深淺不一，較淺處已出露河底，較深處鉆孔尚未探出。同時，由于奎河現(xiàn)狀護岸為歷年多次加高壘砌而成，墻后多有施工過程中留下的石塊、磚渣等建筑垃圾，在周邊工程鉆孔灌注樁施工時，便遇到了對施工影響較大的大塊石。

（2）現(xiàn)狀護岸薄弱：現(xiàn)狀護岸施工年代久遠，施工標準較低，且斷面均為貼坡式漿砌塊石結(jié)構(gòu)，局部砂漿勾縫已被淘空，多處護岸受墻后樹木影響已具有明顯的變形。在這種情況下，任何較大的施工荷載或振動都有可能對護岸造成無可挽回的破壞。

（3）墻后管線隱患：現(xiàn)狀河道兩側(cè)沿線均有一根污水干管埋設(shè)于護岸后側(cè)，污水管距離護岸較近，且同樣由于年久失修，故較易受到外部影響而發(fā)生破壞。污水管一旦產(chǎn)生大量的滲漏，不但對護岸安全產(chǎn)生威脅，更將對河道水質(zhì)產(chǎn)生嚴重污染。在下游已發(fā)生過由于管線破損滲漏而導(dǎo)致護岸滑坡的情況。因此，在護岸加固改造施工過程中需考慮對現(xiàn)狀管線的保護。

（4）施工空間狹?。含F(xiàn)狀河道兩側(cè)為車行道，但由于周邊通行需求大、車流量高，施工期間仍需滿足單向通行的條件。同時局部房屋距離河邊不足3 m，故能為施工提供的空間非常有限。

（5）缺乏人行空間：現(xiàn)狀河道兩側(cè)空間較窄，在滿足車輛通行的前提下，局部已無足夠空間保證濱河慢行道的貫通。為了確保工程便民利民的主旨不變，需在保障河道行洪能力的前提下，借用河道水面以上空間。

（6）護岸景觀較差：現(xiàn)狀護岸為多次加高壘砌而成，自下而上依次采用漿砌塊石、漿砌條石及磚砌結(jié)構(gòu)，層次過于清晰，表面材質(zhì)及紋理不統(tǒng)一，加之年久失修，局部已破損，整體景觀效果較差?，F(xiàn)狀護岸如圖1所示。

圖1 現(xiàn)狀護岸之實景

2 現(xiàn)狀復(fù)核

為保證加固改造方案的合理性，首先對現(xiàn)狀護岸進行穩(wěn)定性復(fù)核，包括：堤頂高程、護岸抗滑及抗傾覆穩(wěn)定、堤防整體穩(wěn)定及地基承載力的復(fù)核[1]。由于篇幅有限，本文選取樁號K4+000處的斷面穩(wěn)定復(fù)核計算結(jié)果進行分析，計算成果詳見表1所列，其中Kc、K0及各項允許值根據(jù)規(guī)范[1]選取。根據(jù)計算結(jié)果可知，現(xiàn)狀護岸抗滑穩(wěn)定性及整體穩(wěn)定無法滿足規(guī)范要求，局部斷面在降水施工或地震工況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)已小于1.0，因此對現(xiàn)狀護岸進行加固是十分必要的，同時需要在墻前降水之前進行?，F(xiàn)狀護岸結(jié)構(gòu)斷面如圖2所示。

圖2 現(xiàn)狀護岸典型斷面圖（單位：m）

典型斷面的護岸復(fù)核計算結(jié)果如表1所列。

表1 典型斷面護岸安全穩(wěn)定復(fù)核計算結(jié)果一覽表

3 加固方案初擬

針對該項目設(shè)計的關(guān)鍵點及難點，根據(jù)現(xiàn)狀護岸安全穩(wěn)定復(fù)核結(jié)論，現(xiàn)提出初步的加固改造方案如下：

現(xiàn)狀護岸陸域側(cè)施打密排圍護樁。該圍護樁的主要作用有四點：第一，提高護岸整體穩(wěn)定性，防止發(fā)生圓弧滑動破壞；第二，降低墻后水平土壓力，提高護岸結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性，確保在墻前降水施工期間護岸的安全穩(wěn)定；第三，則是減少護岸施工期間對樁后污水管的影響；第四，則是充分利用樁基豎向承載能力及樁頂抗彎能力，承受護岸前懸挑平臺及貼面結(jié)構(gòu)的荷載。同時，考慮到復(fù)雜的地質(zhì)情況及狹窄的施工空間，樁基采用了樹根樁的型式，并采用細石混凝土代替碎石+注漿作為樁身填充料，從而減少壓力注漿過程中對現(xiàn)狀護岸產(chǎn)生的不利影響。其次，為保證濱水慢行道的貫通，拆除現(xiàn)有磚砌欄桿，于護岸頂部增加懸挑平臺，在充分利用水面以上空間的基礎(chǔ)上又提高了河道的親水景觀性。最后，于現(xiàn)狀漿砌塊石護岸表面增加20 cm厚鋼筋混凝土貼面結(jié)構(gòu)，從而增加現(xiàn)狀砌石結(jié)構(gòu)的整體性，也利用頂部連梁將護岸結(jié)構(gòu)的受力傳到至后排樹根樁上，進一步提高護岸的抗滑穩(wěn)定性。同時，在鋼筋混凝土貼面結(jié)構(gòu)外表面的水上部分，采用了裝飾混凝土，具體為清水混泥土加造型模板的型式[2]，進一步美化了河道，提升了水景觀。初擬的護岸加固改造方案斷面如圖3所示。

圖3 初擬護岸加固改造方案斷面圖（單位：mm）

4 加固方案復(fù)核及優(yōu)化

為保證加固改造后的護岸結(jié)構(gòu)能滿足預(yù)期的目標，對加固后的護岸進行了安全穩(wěn)定的復(fù)核，包括：由于貼面結(jié)構(gòu)束窄后的河道斷面行洪能力、樁基水平承載力及護岸整體穩(wěn)定。其中，樁基水平承載力根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3]計算。各項目典型斷面計算結(jié)果如表2所列。從計算結(jié)果可知各項數(shù)值均可滿足規(guī)范要求。

表2 加固后典型斷面護岸安全穩(wěn)定復(fù)核計算結(jié)果一覽表

除以上各項總體安全復(fù)核之外，結(jié)合該結(jié)構(gòu)特點，尚需對護岸頂部連梁及樁頂?shù)目箯澇休d力做進一步復(fù)核。由于該結(jié)構(gòu)非完全懸臂，而是通過一貼面混凝土結(jié)構(gòu)將上部荷載傳遞至現(xiàn)狀護岸。結(jié)構(gòu)整體受力復(fù)雜，故采用有限元的計算方式，通過大型有限元計算軟件ANSYS建立整體三維模型，對各構(gòu)件內(nèi)力進行詳細計算分析[4]。根據(jù)連梁間距取3.0 m長結(jié)構(gòu)段進行計算，樁基及混凝土結(jié)構(gòu)采用理想的彈塑性本構(gòu)模型。樁前土作用采用彈簧進行模擬，由于現(xiàn)狀護岸上部直立段距離樁基較近，故彈簧從下部斜坡段開始施加直至樁底。樁底部采用固定約束，模型兩側(cè)面均采用對稱約束，現(xiàn)狀護岸結(jié)構(gòu)底部為彈簧約束，貼面混凝土與護岸表面為滑動摩擦接觸，各計算參數(shù)詳見表3所列，計算模型、結(jié)構(gòu)變形及護岸表面作用力計算結(jié)果如圖4~圖7所示。

圖7 護岸表面摩擦力圖

表3 計算參數(shù)取值一覽表

圖4 計算模型圖

根據(jù)ANSYS計算結(jié)果得到樁頂及連梁的最大彎矩值分別僅有5.86 kN·m及5.03 kN·m，同時頂部連梁產(chǎn)生了32.36 kN的拉力。該兩處彎矩較小是由于護岸表面為折線形狀，懸挑平臺及貼面混凝土垂直向下移動的趨勢轉(zhuǎn)化為沿著護岸斜坡向下滑動的趨勢，即向下的同時還有向前的位移。由于護岸結(jié)構(gòu)幾乎不會發(fā)生向后的位移，懸挑平臺及貼面混凝土的豎向荷載將轉(zhuǎn)化為垂直于護岸斜坡面的壓力、平行于斜坡面的摩擦力及作用于后排樁基的水平拉力。雖然各構(gòu)件受力均滿足設(shè)計要求，但從計算結(jié)果可知，作用于現(xiàn)狀護岸表面的應(yīng)力最大超過了55.9 kPa?？紤]到現(xiàn)狀護岸結(jié)構(gòu)較為薄弱，為盡量減少對它的影響，又在初擬斷面方案的基礎(chǔ)上于護岸前沿河底增加了一排間隔布置的方樁，并將樁頂導(dǎo)梁與貼面混凝土連接[5]，從而與后側(cè)樹根樁及頂部連梁一起形成一個框架，所有增加的荷載都將作用于前后排樁基而不再對現(xiàn)狀護岸產(chǎn)生影響。同時，由于河底增加的樁基同樣可以提高護岸結(jié)構(gòu)的抗滑及整體穩(wěn)定性，因此將后側(cè)樹根樁間距適當(dāng)放寬，從而盡量使得斷面優(yōu)化后的工程量不發(fā)生大的變化。優(yōu)化后的護岸加固改造方案斷面如圖8所示。

圖5 結(jié)構(gòu)變形圖

圖8 護岸加固改造優(yōu)化方案斷面圖（單位：mm）

5 結(jié)論

通過對徐州市區(qū)奎河上游段護岸現(xiàn)狀問題的分析，歸納得出了對現(xiàn)狀護岸進行加固改造的必要性及設(shè)計關(guān)鍵點和難點。通過針對性的設(shè)計初擬了護岸加固改造方案，并根據(jù)對該方案的計算復(fù)核進一步優(yōu)化了設(shè)計。充分利用了樹根樁便于施工的特性及裝飾混凝土的景觀效果，以及利用有限元的計算手段進行復(fù)核，最終得到了一種既能實現(xiàn)提高水安全及水景觀的目標，又能滿足現(xiàn)場施工條件，最大程度地減少對現(xiàn)狀構(gòu)筑物影響的護岸加固改造措施。該方案及方案的研究過程對類似工程具有一定的參考價值。