徐州市奎河上游段護岸加固改造措施研究

董學剛，沈 印

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引言

奎河起源于徐州市云龍湖，向南流經銅山區，在三堡鎮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、截污管網老化且市區段缺乏有效補水等問題存在，現狀水質較差。同時兩側護岸年久失修且結構單薄，多處已變形嚴重，存在發生滑坡的危險性。故為進一步提升市區奎河的水安全、水環境及水生態質量，將奎河流域打造成集親水、生態、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，現研究對象為河道上游段護岸。

1 關鍵點及難點

（1）地質條件復雜：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）現狀護岸薄弱：現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構，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：現狀河道兩側沿線均有一根污水干管埋設于護岸后側，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生破壞。污水管一旦產生大量的滲漏，不但對護岸安全產生威脅，更將對河道水質產生嚴重污染。在下游已發生過由于管線破損滲漏而導致護岸滑坡的情況。因此，在護岸加固改造施工過程中需考慮對現狀管線的保護。

（4）施工空間狹小：現狀河道兩側為車行道，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：現狀河道兩側空間較窄，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、漿砌條石及磚砌結構，層次過于清晰，表面材質及紋理不統一，加之年久失修，局部已破損，整體景觀效果較差。現狀護岸如圖1所示。

圖1 現狀護岸之實景

2 現狀復核

為保證加固改造方案的合理性，首先對現狀護岸進行穩定性復核，包括：堤頂高程、護岸抗滑及抗傾覆穩定、堤防整體穩定及地基承載力的復核[1]。由于篇幅有限，本文選取樁號K4+000處的斷面穩定復核計算結果進行分析，計算成果詳見表1所列，其中Kc、K0及各項允許值根據規范[1]選取。根據計算結果可知，現狀護岸抗滑穩定性及整體穩定無法滿足規范要求，局部斷面在降水施工或地震工況下抗滑穩定系數已小于1.0，因此對現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。現狀護岸結構斷面如圖2所示。

圖2 現狀護岸典型斷面圖（單位：m）

典型斷面的護岸復核計算結果如表1所列。

表1 典型斷面護岸安全穩定復核計算結果一覽表

3 加固方案初擬

針對該項目設計的關鍵點及難點，根據現狀護岸安全穩定復核結論，現提出初步的加固改造方案如下：

現狀護岸陸域側施打密排圍護樁。該圍護樁的主要作用有四點：第一，提高護岸整體穩定性，防止發生圓弧滑動破壞；第二，降低墻后水平土壓力，提高護岸結構抗滑穩定性，確保在墻前降水施工期間護岸的安全穩定；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構的荷載。同時，考慮到復雜的地質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狀護岸產生的不利影響。其次，為保證濱水慢行道的貫通，拆除現有磚砌欄桿，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上又提高了河道的親水景觀性。最后，于現狀漿砌塊石護岸表面增加20 cm厚鋼筋混凝土貼面結構，從而增加現狀砌石結構的整體性，也利用頂部連梁將護岸結構的受力傳到至后排樹根樁上，進一步提高護岸的抗滑穩定性。同時，在鋼筋混凝土貼面結構外表面的水上部分，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 加固方案復核及優化

為保證加固改造后的護岸結構能滿足預期的目標，對加固后的護岸進行了安全穩定的復核，包括：由于貼面結構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定。其中，樁基水平承載力根據《建筑樁基技術規范》[3]計算。各項目典型斷面計算結果如表2所列。從計算結果可知各項數值均可滿足規范要求。

表2 加固后典型斷面護岸安全穩定復核計算結果一覽表

除以上各項總體安全復核之外，結合該結構特點，尚需對護岸頂部連梁及樁頂的抗彎承載力做進一步復核。由于該結構非完全懸臂，而是通過一貼面混凝土結構將上部荷載傳遞至現狀護岸。結構整體受力復雜，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，對各構件內力進行詳細計算分析[4]。根據連梁間距取3.0 m長結構段進行計算，樁基及混凝土結構采用理想的彈塑性本構模型。樁前土作用采用彈簧進行模擬，由于現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，模型兩側面均采用對稱約束，現狀護岸結構底部為彈簧約束，貼面混凝土與護岸表面為滑動摩擦接觸，各計算參數詳見表3所列，計算模型、結構變形及護岸表面作用力計算結果如圖4~圖7所示。

圖7 護岸表面摩擦力圖

表3 計算參數取值一覽表

圖4 計算模型圖

根據ANSYS計算結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。由于護岸結構幾乎不會發生向后的位移，懸挑平臺及貼面混凝土的豎向荷載將轉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。雖然各構件受力均滿足設計要求，但從計算結果可知，作用于現狀護岸表面的應力最大超過了55.9 kPa。考慮到現狀護岸結構較為薄弱，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，并將樁頂導梁與貼面混凝土連接[5]，從而與后側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狀護岸產生影響。同時，由于河底增加的樁基同樣可以提高護岸結構的抗滑及整體穩定性，因此將后側樹根樁間距適當放寬，從而盡量使得斷面優化后的工程量不發生大的變化。優化后的護岸加固改造方案斷面如圖8所示。

圖5 結構變形圖

圖8 護岸加固改造優化方案斷面圖（單位：mm）

5 結論

通過對徐州市區奎河上游段護岸現狀問題的分析，歸納得出了對現狀護岸進行加固改造的必要性及設計關鍵點和難點。通過針對性的設計初擬了護岸加固改造方案，并根據對該方案的計算復核進一步優化了設計。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核，最終得到了一種既能實現提高水安全及水景觀的目標，又能滿足現場施工條件，最大程度地減少對現狀構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。