東莞市交椅灣新河工程堤防斷面設(shè)計(jì)淺析

黃彩進(jìn) 廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司

河道具有排洪、排澇、引潮、改善城市水環(huán)境等功能。工程設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足河道功能的基礎(chǔ)上，通過堤岸的建設(shè)，減少河岸水土流失，改善周邊生態(tài)環(huán)境。生態(tài)河道治理的核心是構(gòu)建或恢復(fù)健康良性的水環(huán)境，選取生態(tài)親和型護(hù)岸型式。生態(tài)親和型護(hù)岸布置應(yīng)與河勢(shì)流向相適應(yīng)，盡可能利用現(xiàn)有護(hù)岸措施和有利地形，順著地形布置[1]。

1.工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

東莞交椅灣新河工程位于東莞濱海灣新區(qū)，本工程的主要任務(wù)為防洪（潮）和排澇，兼顧水環(huán)境和水生態(tài)治理，通過新建交椅灣新河工程，提高濱海灣新區(qū)和長(zhǎng)安鎮(zhèn)的防洪（潮）排澇能力，打造交椅灣新河兩岸濱水景觀帶，提升交椅灣新河兩岸水景觀，為濱海灣新區(qū)建成國(guó)際化濱海新城提供有利條件和安全支撐。

1.2 工程概況

本工程涉及1條河道、7條支涌、2座泵閘、2座水閘。

交椅灣新河、泵站、水閘形成一個(gè)具有排澇、防洪（潮）、生態(tài)引水的水利樞紐工程，結(jié)合交椅灣新河工程規(guī)模、效益和在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中的重要性確定本工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型。交椅灣新河總長(zhǎng)度為5.15km，以沙涌為分界點(diǎn)分東河段和西河段，其中東河段長(zhǎng)度為2.78km，西河段長(zhǎng)度為2.37km。交椅灣新河北側(cè)共整治7條支涌出口，總長(zhǎng)度為1.506km。

2.堤防斷面型式選擇

2.1 堤型比選

文章根據(jù)堤防設(shè)計(jì)原則，從地形條件、地質(zhì)條件、占地條件、生態(tài)環(huán)境等多方面綜合考慮，因地制宜，因需制宜，初步擬定兩種堤防斷面進(jìn)行比選，詳述如下：

2.1.1 格柵式攪拌樁+緩坡堤岸

該方案將城市規(guī)劃的綠地納入本工程的設(shè)計(jì)范圍，以水安全保證、生態(tài)景觀價(jià)值提升、場(chǎng)地游憩性增強(qiáng)、場(chǎng)地效益提高為原則，將本工程打造成濱海灣新區(qū)獨(dú)一無(wú)二的河道展示空間，獨(dú)具生態(tài)保育、門戶形象展示、休閑活動(dòng)功能的生態(tài)空間，創(chuàng)造不一樣的濱海水岸生活。該方案控制新河的最小底寬為45m，以保證新河的防洪排水需要，同時(shí)結(jié)合規(guī)劃綠地范圍，在條件允許的位置適當(dāng)擴(kuò)大河底寬度，使河道平面蜿蜒曲折，還原河道的自然形態(tài)。

在河道岸坡-0.30 m高程控制線至河底堤線臨水側(cè)5m范圍內(nèi)采用拋石護(hù)腳，抬高河岸以擴(kuò)大紅樹林種植范圍。堤頂高程為4.0m，高程-0.30m與堤頂間采用緩坡相接，其中堤岸為淤泥層的岸坡坡度不陡于1∶5，填土層岸坡不陡于1∶3。高程-0.30m與堤頂間緩坡坡面為水景觀設(shè)計(jì)范圍，水景觀主要布置有觀景挑臺(tái)、創(chuàng)意裝置、濕地生態(tài)島、人行棧橋、廣場(chǎng)平臺(tái)、跌水凈化池、濕地科普、濕地植物觀賞、濕地游覽棧道、配套設(shè)施等。

地基處理采用格柵式攪拌樁[2]，攪拌樁樁徑Φ600mm，根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算確定其樁長(zhǎng)[3]；攪拌樁必須切斷滑弧，同時(shí)為避免其它工程施工時(shí)擠壓造成淤泥流動(dòng)，格柵式攪拌樁同時(shí)需穿透淤泥層不小于1m。格柵式攪拌樁墻體厚4.20m，前后墻肢均為兩排密排Φ600攪拌樁，間距0.45m，排距0.45m，前后墻肢凈距2.10m；墻肋為兩排密排Φ600攪拌樁，攪拌樁間距0.45m，排距0.45m，相鄰墻肋間距2.10m。

2.1.2 灌注樁+放坡堤岸

河道臨水側(cè)采用密排φ 1000灌注樁連續(xù)墻[4]，樁長(zhǎng)為18m，頂設(shè)C30鋼筋砼冠梁，冠梁頂高程為1.70m，迎水面設(shè)置C30鋼筋砼護(hù)面，岸頂設(shè)仿木欄桿。由于河底存在淤泥，故采用格柵式攪拌樁進(jìn)行坑底加固，攪拌樁樁徑φ600mm，需穿透淤泥層不小于1 m；格柵式攪拌樁墻體厚4.20m，前后墻肢均為兩排密排φ600mm攪拌樁，間距0.45m，排距0.45m，前后墻肢凈距2.10m；墻肋為兩排密排φ600mm攪拌樁，攪拌樁間距0.45m，排距0.45m，相鄰墻肋間距2.10m。冠梁與堤頂之間放坡連接，坡比不陡于1∶3，堤頂高程4.0m；堤岸坡面為水景觀設(shè)計(jì)范圍。

2.2 堤型選擇

兩種堤防斷面方案均可行，各有其優(yōu)點(diǎn)及局限性，柵式攪拌樁+緩坡堤岸型式在河道形態(tài)、游憩功能、門戶展示性、生態(tài)性等方面均有優(yōu)勢(shì)，并且造價(jià)較低，但該斷面占地較大，適合在建設(shè)用地較寬闊的河段使用。而對(duì)于局部建設(shè)用地限制較大的河道段，采用灌注樁+放坡堤岸方案較為合適。綜上所述，本階段推薦大部分較寬闊的河段采用柵式攪拌樁+緩坡堤岸方案，僅部分受占地影響較大岸坡較窄的河段采用灌注樁+放坡堤岸方案。

2.3 堤基處理方案選擇

根據(jù)地質(zhì)成果，岸坡下部土層依次為雜填土（素填土）、淤泥、淤泥質(zhì)土、花斑粘土等，其中淤泥抗剪參數(shù)較差。為增強(qiáng)岸坡土體抗剪強(qiáng)度，提高抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，地基處理結(jié)合堤防整體穩(wěn)定考慮。初步擬定沿堤防軸線布置格柵式攪拌樁，攪拌樁樁徑φ600mm，格柵式攪拌樁墻體厚4.20m。根據(jù)本工程實(shí)際情況，選取A型（淤泥層較薄、岸坡較緩河段DH1+400.00左岸）和B型（淤泥層較厚、岸坡較陡河段DH2+200.00右岸）兩種典型岸坡型式，分別在不同基礎(chǔ)處理情況下，復(fù)核岸坡安全穩(wěn)定以求得到各個(gè)類型的岸坡最為合適的基礎(chǔ)處理方案。

（1）不進(jìn)行基礎(chǔ)處理、無(wú)格柵式攪拌樁情況；

（2）設(shè)置1排格柵式攪拌樁；

（3）設(shè)置2多排格柵式攪拌樁；

（4）設(shè)置3多排格柵式攪拌樁；

（5）設(shè)置3排格柵式攪拌樁并在攪拌樁中插鋼管（鋼管直徑48mm，間距900mm，僅在最外側(cè)一排攪拌樁中布置）。

在方案選擇中，挑選施工工況和地震工況兩種最不利工況進(jìn)行試算，兩種工況的具體情況如下：

（1）施工工況∶臨水側(cè)水位取河底高程，背水側(cè)水位取3.0m（堤頂以下1.0m），計(jì)算臨水側(cè)邊坡；堤頂均布荷載采用20kPa。

（2）地震工況：臨水側(cè)水位取多年平均高潮位1.40m，背水側(cè)水位取3.0m（堤頂以下1.0m），計(jì)算臨水側(cè)邊坡；堤頂均布荷載采用10kPa，地震動(dòng)峰值加速度取0.10g。

堤防A、B型斷面整體穩(wěn)定計(jì)算成果表見表1。

表1 整體穩(wěn)定計(jì)算成果表

根據(jù)以上分析計(jì)算可以看出，在岸坡坡腳處設(shè)置格柵式攪拌樁是非常有必要的，故本工程堤岸岸坡均采用格柵型攪拌樁進(jìn)行處理；針對(duì)部分岸坡較陡、淤泥層較厚的河段根據(jù)邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果再適當(dāng)多加入一排或兩排格柵式攪拌樁；若已設(shè)置三排格柵式攪拌樁卻仍然有最不利工況接近但未達(dá)到規(guī)范規(guī)定的安全穩(wěn)定系數(shù)，則在靠近堤頂路一排格柵式攪拌樁中插入鋼管（鋼管直徑48mm，間距900mm，僅在最外側(cè)一排攪拌樁中布置）以提高格柵型攪拌樁抗剪強(qiáng)度[5]，確保堤岸的整體穩(wěn)定。

3.河道及堤防斷面設(shè)計(jì)

3.1 斷面型式

本工程堤岸斷面型式大部分采用緩坡斷面型式，為拋石護(hù)腳+格柵式攪拌樁基礎(chǔ)處理+緩坡堤岸型式；部分河段設(shè)計(jì)用地較緊張情況，則采用灌注樁+放坡堤岸型式。

3.2 堤防支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

本工程用地受限河段采用灌注樁支護(hù)，灌注樁前基坑底部采用柵格水泥攪拌樁加固。

3.2.1 計(jì)算斷面

本次計(jì)算選取淤泥層較厚、堤后地面高程較高的交椅灣新河西河段XH1+800.00右岸斷面作為典型計(jì)算斷面。

3.2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》第3.1.14第2點(diǎn)“對(duì)地下水位以下的黏性土、黏質(zhì)粉土，可采用土壓力、水壓力合算方法[6]；此時(shí)，對(duì)正常固結(jié)和超固結(jié)土，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用三軸固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)或直剪固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)欠固結(jié)土，宜采用有效自重壓力下預(yù)固結(jié)的三軸不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)”[7]。

本次整體穩(wěn)定分析對(duì)穩(wěn)定滲流期、水位驟降期和地震工況采用有效應(yīng)力法，對(duì)施工工況采用總應(yīng)力法。本工程淤泥層屬于欠固結(jié)土，其穩(wěn)定計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)規(guī)范采用三軸壓縮剪切試驗(yàn)中的不固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)；填土層、粘土層、淤質(zhì)中細(xì)砂、泥質(zhì)中砂和全風(fēng)化砂巖所采用的是飽和快剪指標(biāo)。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（單機(jī)版），計(jì)算時(shí)僅采用灌注樁支護(hù)，為安全考慮，計(jì)算時(shí)不考慮基坑內(nèi)格柵式攪拌樁的加固作用[8]。灌注樁直徑1000mm，長(zhǎng)度18m，間距1m布置。在計(jì)算時(shí)，假設(shè)從樁頂高程至河堤分兩步開挖，樁后考慮20kPa施工荷載，計(jì)算時(shí)按照堤身填筑已經(jīng)完成進(jìn)行考慮。

（1）內(nèi)力及位移分析。

計(jì)算成果見圖1，圖中藍(lán)色線為彈性法土壓力成果，紅色為經(jīng)典法土壓力成果，本次設(shè)計(jì)選用彈性法。

圖1 樁基內(nèi)力位移圖

（2）嵌固穩(wěn)定驗(yàn)算。

嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)：

式中：Mp為被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩（kN.m），對(duì)于內(nèi)支撐支點(diǎn)力由內(nèi)支撐抗壓力決定，對(duì)于錨桿或錨索，支點(diǎn)力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma為主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩（kN.m）；Ks為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)，分別為1.25、1.2、1.15；綜合考慮基坑周邊環(huán)境和地質(zhì)條件復(fù)雜性及基坑深度等因素，確定本工程支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，取1.25。

第一步開挖：

Kov=1.872 ≥1.25，滿足規(guī)范要求。

第二步開挖：

Ks=1.365≥1.25，滿足規(guī)范要求。

最小安全Ks≥1.25，滿足規(guī)范要求。

（3）計(jì)算成果分析。

經(jīng)計(jì)算，灌注樁支護(hù)方案支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及穩(wěn)定計(jì)算成果見表2。

表2 內(nèi)力位移計(jì)算成果表

由計(jì)算結(jié)果可以看出，該計(jì)算模型中樁頂位移及地表沉降量均在合理范圍，且抗傾覆安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，故本工程擬采用該方案對(duì)用地受限的岸坡進(jìn)行支護(hù)。

4.結(jié)論

文章以構(gòu)建或恢復(fù)健康良性的水環(huán)境為核心，因地制宜，因需制宜，選取生態(tài)親和型護(hù)岸型式，改善周邊生態(tài)環(huán)境。在不同基礎(chǔ)處理情況下，文章復(fù)核了岸坡安全穩(wěn)定選取最為合適的基礎(chǔ)處理方案，并對(duì)灌注樁支護(hù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，確保了本工程設(shè)計(jì)的合理性。護(hù)岸型式、堤基處理分析與堤防支護(hù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可為類似城鎮(zhèn)河道整治工程提供參考。