鉆孔灌注樁在堤防抗滑穩定中的應用

高 坤，夏世飛，花 卉，費曉磊，崔 陽，劉 彬，楊樂天

(1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；2.南京市高淳水務局磚墻水務站，江蘇 南京 210000)

近年來，隨著我國水利事業的蓬勃發展，抗滑樁在堤防抗滑穩定中的應用越來越來廣泛。本文結合水碧橋河入固城湖河口處右岸堤防現狀情況，分析了削坡放緩邊坡及背水坡增設戧臺壓重等加固措施無法實施的原因，通過計算分析鉆孔灌注樁相關變量對堤防抗滑穩定的影響，最終確定最優的加固方案。

1 工程概況與地質條件

1.1 工程概況

水碧橋河屬水陽江水系，是水陽江與固城湖進行水量交換的重要通道，同時也是安徽和江蘇省的分界河流，承擔著超標準洪水時向固城湖分洪的重要作用。水碧橋河呈東西走向，起于水陽江干流在水陽鎮處的一分支，終于固城湖西南端，連接水陽江和固城湖。本次工程位于高淳區磚墻鎮水碧橋河沿線，包括新保圩、和尚圩、及保勝圩堤防，工程主要建設內容為堤防防滲處理、堤防加固等。

1.2 工程地質條件

根據鉆探及室內巖土試驗資料，按其物理力學性質、巖性、成因等不同，擬建場地勘探深度27.00m以內分為2個工程地質層，6個工程地質亞層。堤身主要為①-2素填土層，稍密，不均勻；堤基土為粉質黏土，其中②-1粉質黏土層，軟塑，局部流塑，高壓縮性，中等強度，②-2淤泥質粉質黏土層，流塑，高壓縮性，低強度，層厚2.4～9.30m，②-3粉質黏土層，可塑，局部夾粉砂，中等壓縮性，中等強度，②-4粉質黏土層，可塑，中等壓縮性，中等強度。

主要土層物理力學指標見表1。

表1 土層物理力學指標

2 現狀堤防穩定分析

本文選取新保圩堤防(水碧橋河入固城湖河口處右岸堤防)斷面進行計算，斷面如圖1所示。現狀堤頂寬約4.0m，迎背水坡坡比約1∶2.0，堤頂高程14.50m，河底高程約5.70m，背水坡地面高程約6.70m，距離現狀堤腳約8.0m處為新保圩圩區排澇泵站進水河，河口寬約14.0m，河底高程約4.70m。

圖1 現狀計算斷面

本工程堤防級別為3級，根據規范[1]堤防抗滑穩定計算采用瑞典圓弧法[2-3]，采用河海大學水工有限元分析軟件AutoBbank計算，計算采用2種工況，見表2。

表2 計算工況 單位：m

采用瑞典圓弧法，工況一，背水坡抗滑穩定系數為1.02，工況二，迎水坡抗滑穩定安全系數為1.24。工況一背水坡抗滑穩定系數不滿足規范規定K≥1.2的要求，經分析，認為主要有以下3方面原因：①堤基存在較厚的淤泥質粉質黏土層，土層的抗剪能力弱，不利于堤防穩定；②堤身高度較高約8.0m，下滑力較大；③背水坡坡腳外存在進水河溝，坡腳壓重減小，抗滑能力降低。現狀背水坡穩定處于臨界狀態，易產生滑坡失穩險情，所以需要進行堤防加固處理。

3 堤防加固方案比選

3.1 加固工程措施比選

堤防加固設計中，經常采用削坡放緩邊坡、背水坡增設戧臺壓重、打抗滑樁阻滑等加固措施[4]。①現狀堤防迎水坡坡比已經達到1∶2.0，削坡放緩邊坡可以增加堤防穩定，但會導致堤身占地變大，現狀堤防背水坡緊鄰排澇泵站進水河，無法實現。②背水坡增設戧臺也是很好的阻滑措施，但背水坡現狀為排澇站進水河，需填河，另要新開排澇站進水河，占用基本農田，矛盾較大無法實施。采取削坡增加坡比、背水坡增設戧臺壓重都需要加大堤身斷面，增加占地，對堤后圩區現狀形成的排澇水系造成影響，不利于防洪排澇安全。

如通過在坡腳位置打抗滑樁來增加坡面的穩定性，能保持現狀堤身占地不變，不影響背水坡排澇站進水河，施工時擾動面小，減少滑動不利因素。

所以本工程入湖口段堤防加固采用抗滑樁阻滑措施對堤防進行加固處理。

3.2 抗滑樁型式比選

抗滑樁是一種側向受荷樁，在滑坡推力作用下，它可以調動遠超過樁體寬范圍的地層與之共同抗滑，使加固地層的抗力得到發揮[5-6]。抗滑樁需要具備樁身長、強度高、施工機具輕便等特點，樁身足夠長可以穿過滑動面進入持力層增加抗滑力，強度高防止自身被剪斷確保抗滑力充分發揮，施工機具輕便減少施工時擾動，防止施工期失穩。

抗滑樁作為加固滑坡體的一種有效措施已被廣泛應用[7-8]，常采用的抗滑樁有木樁、預制鋼筋混凝土樁、鉆孔灌注樁等。采用木樁和預制鋼筋混凝土樁都需要采用打樁機具，為了便于打樁，樁徑均不能過大，打樁機具較大需要便捷的進場交通。工程段現狀堤頂道路寬約3.0m，大型打樁機具無法進場；根據上文計算，工況一堤防背水坡穩定處于臨界狀態，打樁機具自身壓重、錘擊產生振動，樁身對周圍土體的擠壓隆起等，都對堤防邊坡造成不利影響。

鉆孔灌注樁具有如下優點：①施工工藝成熟，操作簡單、安全，施工質量有保障。②施工機具小、重量輕，受場地限制小，基本不受交通條件限制。③噪聲低、振動小、對周圍環境影響小。④可以適應各種地質條件。采用鉆孔灌注樁克服了施工機具重載和振動的問題，樁長、樁徑不受機具限制可以根據實際需要確定，灌注樁的抗剪、抗彎能力比木樁和預制鋼筋混土樁要強。通過比選本工程抗滑樁采用鉆孔灌注樁。

4 抗滑樁設計及優化

采用單一變量法分別就樁位、樁徑、樁長、樁間距進行計算分析。

4.1 抗滑樁樁位的確定

初步確定樁的布置方案：樁間距0.7m，樁徑0.6m，樁長9.0m。分別把抗滑樁布置在坡腳、背水坡平臺、背水坡坡中、坡頂4個位置，距離堤頂路面中心線距離分別為4.0、10.0、17.0、23.5m，樁位布置如圖2所示。

圖2 設計斷面抗滑樁布置

采用有限元分析軟件，分別對設計洪水位及洪水位降落期進行計算，安全系數系數與樁位曲線如圖3所示。

圖3 安全系數隨樁位變化曲線

由圖3可知，抗滑樁布置在背水坡各處，安全系數均為1.24，對于迎水坡的安全系數沒有影響。抗滑樁布置在坡頂與坡中位置時，安全系數為1.02與現狀一致，對于背水坡安全系數沒有影響；當抗滑樁布置在背水坡平臺處(17.0m)安全系數為1.44達到峰值，抗滑樁布置在背水坡坡腳處安全系數為1.14，不滿足規范規定K≥1.2的要求，故抗滑樁布置在背水坡平臺處對背水坡抗滑效果最好。

背水坡打樁對迎水坡抗滑安全系數沒有影響，下文僅研究樁相關參數對背水坡安全系數的影響。

4.2 抗滑樁樁徑的確定

在確定抗滑樁布置在背水坡平臺的基礎上進行樁徑優化，初定樁間距0.7m，樁長9.0m。分析樁徑分別為0.3～0.7m，每級差0.1m。經建模計算，安全系數隨樁徑變化曲線如圖4所示。

圖4 安全系數隨樁徑變化曲線

根據安全系數與樁徑變化曲線圖，可知樁徑為0.3m時，背水坡安全系數為1.13，不滿足規范要求，樁徑0.4～0.7m時安全系數均大于1.2，滿足規范要求，考慮抗滑樁施工時孔位偏差及常規樁徑等因素，確定抗滑樁樁徑取0.6m。

4.3 抗滑樁樁長的確定

根據4.1、4.2節，抗滑樁布置在背水坡平臺，樁徑取0.6m，初定樁間距0.7m。分析樁長分別為5～15m，每級差2m。經建模計算，安全系數隨樁長變化曲線如圖5所示。

圖5 安全系數隨樁長變化曲線

根據安全系數與樁長變化曲線圖，可知樁長為5、7m時，背水坡抗滑安全系數為1.02與現狀穩定系數一致，抗滑樁未起到抗滑作用，此時樁身全部位于②-2淤泥質粉質黏土層。當樁長為9.0～15.0m時，背水坡抗滑安全系數為1.44維持不變，此時樁尖已打入②-4粉質黏土層，隨著樁長的增加，安全系數不再增加，所以確定樁長為9.0m。

4.4 抗滑樁間距的確定

根據4.1～4.3節，確定抗滑樁布置在背水坡平臺，樁徑取0.6m，樁長取9.0m。分析樁間距分別為0.7～1.7m，每級差0.2m。經建模計算，安全系數隨樁間距變化曲線如圖6所示。

圖6 安全系數隨樁間距變化曲線圖

根據安全系數與樁間距變化曲線圖，安全系數隨樁間距加大而減小，當樁間距小于1.7m時，抗滑安全系數均大于1.2，滿足規范要求，當樁間距大于1.7m時，抗滑安全系數均小于1.2，不滿足規范要求。鉆孔灌注樁樁間距過大，不能形成有效的土拱效應[9-10]，抗滑安全系數降低，確定樁間距為1.5m。

4.5 抗滑樁方案確定及優化思路

根據4.1～4.4節計算分析，最終確定新保圩堤防(水碧橋河入固城湖河口處右岸堤防)采用抗滑樁加固處理，抗滑樁布置在堤防背水坡平臺，樁徑0.6m，樁長9.0m，樁間距1.5m，抗滑穩定安全系數為1.22。抗滑穩定計算如圖7所示。

圖7 抗滑穩定計算

圖8 鉆孔灌注樁現場施工

結合以上工程案例計算可總結出今后類似抗滑樁加固堤防設計優化步驟如下。

(1)對現狀堤防岸坡進行抗滑穩定計算，根據堤防級別，對應判斷抗滑穩定安全系數計算值是否大于規范允許值，當小于規范允許值，進行堤防加固處理。

(2)抗滑樁優先布置在堤防背水坡，樁徑優選選用直徑0.6m，根據地勘資料，樁長以樁端全斷面進入好土層不小于2倍樁徑控制，試算樁間距，使計算安全系數滿足規范要求。

(3)若抗滑安全系數無法滿足規范要求，增加樁長或樁徑確保堤防抗滑穩定滿足要求。

(4)若上述方案已經滿足規范要求，可以對方案進行優化，改變樁間距、樁長及樁徑，使得所用材料最省，最經濟。

5 結語

新保圩鉆孔灌注樁自2022年3月施工至今運行狀況良好，在汛期，對治理段進行了檢查和觀測，坡面未發現滑坡，也沒有明顯的位移，說明采用鉆孔灌注樁加固處理安全可靠。

本文以實際工程為例，分析了鉆孔灌注樁具有抗滑性能好、承載力大、施工方便、適應性強、耐久性好等優點，可以避免空間和施工條件限制的難題。從灌注樁的樁位、樁徑、樁長及樁間距等因素進行計算分析[11-13]，提供了鉆孔灌注樁抗滑設計的設計思路和計算方法，最終確定最優的加固方案，對同行具有一定的參考價值。本文也存在一些不足，未對多排樁的加固方案進行分析，建議同行可以對此方面研究，更好地優化加固設計方案。