作為臨時施工道路的堤防加固研究

朱思軍，陳小丹，鄧義釗

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

某3級堤防位于潮汕地區(qū)，為了施工某特大橋，由于征地等因素影響，需將一段堤防的堤頂路面作為臨時施工道路通行施工車輛，主要施工車輛為混凝土攪拌運輸車，總荷載為25 t，經(jīng)建設單位與堤防管理部門溝通協(xié)商，堤防管理部門同意在不影響堤防安全的前提條件下，可以臨時借道通行。

由于堤防的設計荷載較小，若堤頂路面直接作為施工道路走重車，可能會造成堤防滑移，嚴重影響防洪功能，因此，是否安全需進行計算分析，若不安全必須采取有效工程措施進行加固處理。

2 地質(zhì)情況

根據(jù)地勘報告，該區(qū)域的地層主要分布有：素填土、淤泥、粗砂夾層及中砂層等。自上而下為：

第①層素填土：灰黃、灰褐、雜色，干～濕，稍密，主要由粉質(zhì)粘土組成，表層0.20 m為混凝土路面，為河堤填土。全場地分布，厚度為2.80～3.70 m。

第②層淤泥：深灰、灰黑色，流塑～軟塑，含少量腐殖質(zhì)和貝殼，局部夾粗砂薄層，具臭味，黏手感強。平均含水量為67%，全場地分布，層頂埋深為2.80～3.70 m，層底埋深為29.10～30.90 m，層厚為24.60～26.90 m。

第②-1層粗砂夾層：淺灰色，飽和，稍密，以粗砂為主，多泥質(zhì)，級配良好。局部分布。層頂埋深為6.30～8.40 m，層底埋深為8.00～8.90 m，層厚為0.50～1.70 m。該層進行標準貫入試驗1次，修正值擊數(shù)N=11.8擊。

第③層中砂：淺灰色、黃褐色，飽和，中密，以中砂為主，多泥質(zhì)，級配良好。全場地分布，層頂埋深為29.10～30.90 m，未揭穿，層厚為5.80～7.60 m。該層進行標準貫入試驗11次，修正值擊數(shù)N=14.9～18.8擊，平均值17.4擊。

堤防典型斷面如圖1所示。

3 土體參數(shù)

各巖土體參數(shù)來源于本工程地勘報告，地勘報告給出的各巖土體的巖土參數(shù)建議值見表1所示。

根據(jù)地勘報告提供的巖土參數(shù)對現(xiàn)狀堤防進行整體穩(wěn)定計算，結(jié)果如表2所示，可見現(xiàn)狀堤防處于失穩(wěn)狀態(tài)，與實際情況不符，原因為淤泥參數(shù)取值偏低。

由于地勘給出的淤泥強度指標是基于鉆探取樣進行室內(nèi)試驗得到的，在鉆探、取樣、試樣運輸?shù)冗^程中難免對原有土體產(chǎn)生擾動，而淤泥又屬于高靈敏性土，故一般情況下，室內(nèi)試驗得到的土體參數(shù)比實際偏低。

目前堤防在退潮低水位時未出現(xiàn)擋墻開裂、堤防滑移等現(xiàn)象，說明堤防處于穩(wěn)定狀態(tài)，保守估計現(xiàn)狀堤防(堤頂無荷載)的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)至少為1.05，可以反算出堤身下的淤泥強度指標。

通過不斷提高淤泥的參數(shù)(假定粘聚力不變，只提高內(nèi)摩擦角)試算出現(xiàn)狀堤防的整體穩(wěn)定安全系數(shù)，使得現(xiàn)狀堤防的整體穩(wěn)定安全系數(shù)近似等于1.05，即可反算得到淤泥接近實際的參數(shù)。計算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，反算得到的淤泥的內(nèi)摩擦角為5°。

4 現(xiàn)狀堤防作用車輛荷載穩(wěn)定性分析

對堤防整體穩(wěn)定計算分析的方法有極限平衡法[1]，有限元地層結(jié)構(gòu)法，強度折減法[2]，局部強度折減法[3]等。而極限平衡法又包括瑞典圓弧法、簡化畢肖普法、簡布法、薩爾瑪法等，《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)推薦采用瑞典圓弧法、簡化畢肖普法，選擇瑞典圓弧法對現(xiàn)有堤防進行整體穩(wěn)定性，并按《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)中的公式對抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性進行計算分析。

4.1 堤防防浪墻抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定性計算

由于堤頂路面為鋼筋混凝土路面，作用于堤頂?shù)能囕v集中荷載通過混凝土路面進行了重分布，作用于堤頂土體上的荷載可近似看成均布荷載。25 t混凝土攪拌運輸車(前后輪距離約8 m，左右輪距離約1.9 m)行走荷載考慮動荷載放大效應，根據(jù)于清、曹源文等人研究成果[4]，放大系數(shù)與車輛荷載、行駛速度及路面平整度等因素有關(guān)，范圍在1.1～1.3之間，行駛速度越小，路面越平整時，放大系數(shù)越小，本工程中行駛速度控制為15 km/h的低速，混凝土路面較平整，放大系數(shù)取平均值1.2，則車輛荷載為1.2×250 kN/(8.0 m×1.9 m)=19.7 kPa，取20 kPa。

擋土墻抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定性的計算結(jié)果如表4所示。表明防浪墻抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4.2 堤防整體抗滑穩(wěn)定計算

對堤防的臨水坡和背水坡在正常運用條件下分別進行整體穩(wěn)定計算，計算結(jié)果見表5。

臨水坡、背水坡滑弧示意見圖2～3。

以上計算分析可知，施工車輛荷載作用于堤頂時，防浪墻抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。堤防背水坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)也滿足規(guī)范要求，但臨水坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，甚至小于1.0，說明現(xiàn)狀堤防在施工車輛荷載作用下極有可能會發(fā)生滑移。

綜上分析，該堤防現(xiàn)狀下無法承擔施工車輛荷載。為確保堤防的安全，需加固該段堤防。

5 方案比選

目前堤防工程常用的加固措施有旋噴樁方案、微型樁方案、坡腳拋石反壓方案等[5-12]，優(yōu)缺點分析如下。

1) 旋噴樁方案

旋噴樁方案的機理是通過高速噴射以切割土體并使水泥與土攪拌混合，形成水泥土體，該方案如能做好質(zhì)量控制，效果較好，常用于地基加固，但也具有一些缺點，如旋噴樁強度增長緩慢，從旋噴樁施工結(jié)束到完全發(fā)揮作用所需時間較長，另外，該方案工程量大，投資較高，故該方案不推薦采用。

2) 微型樁方案

該加固方案采用預制混凝土樁或鋼管樁，具有施工速度快，施工結(jié)束就能發(fā)揮加固作用，效果好等優(yōu)點。但施工微型樁具有一定的擠土效應，可能導致堤防擋土墻變形，且樁長要穿透滑弧，深度較大，投資較高，故該方案不推薦采用。

3) 填砂包(拋石)反壓方案

拋石(填砂包)反壓方案廣泛用于基坑搶險工程和邊坡工程中，具有可靠性好，施工方便，造價低等優(yōu)點。本工程推薦采用該方案。

6 加固方案

本工程采用填砂包反壓方案對現(xiàn)狀堤防進行加固處理，從防浪墻墻腳處開始填砂包，砂包鋪填寬度7.5 m，鋪填厚度選擇1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m分別進行計算，以選擇最優(yōu)方案，邊緣按1：3放坡，加固方案剖面示意如圖4所示(以鋪填厚度1.0 m為例)。

由于背水坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)在加固前已滿足規(guī)范要求，在臨水坡填砂包對背水坡穩(wěn)定無影響，故加固后的背水坡整體穩(wěn)定不再計算。

加固后堤防整體穩(wěn)定計算結(jié)果如表6所示。

由表6可知，砂包鋪填最佳厚度為1.0 m，此時臨水坡滑弧如圖5所示。

該加固方案實施后，施工期間有專人現(xiàn)場巡查和位移監(jiān)測，每隔10 m在防浪墻頂布置一個位移監(jiān)測點，共布置5個位移監(jiān)測點，位移監(jiān)測趨勢示意如圖6～7所示，趨勢圖表明堤防處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)巡查日志，施工期未發(fā)現(xiàn)堤防開裂等異?，F(xiàn)象，說明該方案可行。

7 結(jié)語

施工車輛荷載作用于現(xiàn)狀堤防時，對現(xiàn)有堤防進行整體穩(wěn)定性、抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性計算，結(jié)果表明:堤防臨水坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，需對堤防進行加固并做好日常巡查和位移監(jiān)測才能作為臨時施工道路。

根據(jù)方案比選，推薦采用“填砂包反壓”的加固方案，并通過計算分析，得到最優(yōu)方案。加固方案實施后，根據(jù)位移觀測數(shù)據(jù)顯示，堤防處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明該加固方案可行。