張功義（安徽省六安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院 六安 237000）

水力沖填法在淮河干流城西湖蓄洪大堤加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張功義
（安徽省六安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院 六安 237000）

本文介紹了水力沖填法在淮河干流城西湖蓄洪大堤加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提出并總結(jié)了應(yīng)用中的一些關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)新建的堤防或大壩，應(yīng)認(rèn)真查明原狀地基情況，首先做好地基處理。水力沖填壩（堤防）的沖填的期數(shù)及每期沖填的進(jìn)度，應(yīng)根據(jù)沖填土料情況、壩高及施工工期要求，綜合分析確定。根據(jù)水力沖填的距離，堤防填筑總土方量、土料情況及施工工期，合理選擇沖填設(shè)備，以節(jié)約投資。

水力沖填法 城西湖蓄洪大堤 滲流 抗滑穩(wěn)定

1 引言

淮河干流城西湖蓄洪大堤加固工程系國(guó)務(wù)院治淮19項(xiàng)骨干工程之一，南灘大灣段位于淮河干流城西湖蓄洪大堤中段，為一“U”型彎堤，彎堤長(zhǎng)1050m，由于該段彎堤汛期險(xiǎn)情多，在城西湖蓄洪大堤加固設(shè)計(jì)中將該段彎堤裁彎取直，并采用鉸吸式吸泥船將淮河河床泥沙吸入泥漿泵，經(jīng)壓力輸泥管輸送到壩址處，即水力沖填法筑堤，同時(shí)對(duì)彎道內(nèi)約8萬(wàn)m2區(qū)域沖填成莊臺(tái)，既解決了大堤加固中土料不足及大堤加固中拆遷人員的安置問(wèn)題，又少占用耕地約400畝，同時(shí)降低了工程投資，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文就水力沖填法在淮河干流南灘大灣段筑堤及新建莊臺(tái)設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要介紹，供讀者參考。

2 工程概況

淮河干流城西湖蓄洪大堤位于安徽省霍邱縣的西北部，全長(zhǎng)23.28km，大堤迎水側(cè)為淮河，背水側(cè)為城西湖，城西湖是淮河中游最大的蓄洪區(qū)，湖內(nèi)人口約17萬(wàn)人，耕地面積40.7萬(wàn)畝，設(shè)計(jì)蓄洪面積517km2，設(shè)計(jì)蓄洪量28.8億m3，是確保淮北大堤和沿淮工礦城市圈堤安全的關(guān)鍵性蓄洪工程，但由于城西湖蓄洪大堤堤身較高，土質(zhì)較差，堤基中有較強(qiáng)的透水砂層與淮河連通，汛期淮河高水位時(shí)，堤坡散浸滲漏，堤腳內(nèi)地面翻砂鼓水等險(xiǎn)情不斷，因此實(shí)施加固工程是十分必要的，也是國(guó)家治淮19項(xiàng)骨干工程之一。南灘大灣段位于城西湖蓄洪大堤中段，為“U”形彎堤，彎堤長(zhǎng)1050m，系1954年淮河流域發(fā)生特大洪水時(shí)炸堤進(jìn)洪時(shí)形成的巨大沖坑，沖坑深度在10 m以上，汛后復(fù)堤在沖坑下游筑一彎堤后而形成南灘大彎。目前沖坑逐年淤積，平均高程在21.00m左右，該處設(shè)計(jì)洪水位27.53m，設(shè)計(jì)堤頂高程29.53m，由于南灘大彎彎堤較長(zhǎng)，且呈三向滲流狀態(tài)，汛期險(xiǎn)情多，大堤加固工程設(shè)計(jì)將彎堤裁彎取直，取直堤線長(zhǎng)400m，根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，取直堤軸線壩基基本分為兩層，高程9.00m以上為淤泥質(zhì)砂壤土，厚度約11m，抗剪強(qiáng)度C=1～4kPa，Ф=3.3°～6°，堤基強(qiáng)度很低。高程9.00m以下為原狀粉質(zhì)粘土，強(qiáng)度很高。由于筑堤土方量較大，如采取常規(guī)的取土筑堤方式，一是附近土源不足，二是挖壓占地太多。最終采用了鉸吸式吸泥船將淮河河道內(nèi)泥沙吸入泥漿泵，經(jīng)壓力輸泥管輸送到壩址處，即水力沖填法進(jìn)行筑堤，并對(duì)堤基進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)彎道內(nèi)約8萬(wàn)m2區(qū)域沖填成莊臺(tái)。既解決了大堤加固中土料不足及大堤加固中拆遷人員的安置問(wèn)題，又少占用耕地約400畝，同時(shí)降低了工程投資，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 水力沖填法堤防設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 地基處理方案

初擬壩型為沖填式砂壩，由于堤基強(qiáng)度太低，應(yīng)首先對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行處理，考慮了三種處理方案：一是換砂，計(jì)算換砂深度和方量；二是分期沖填加荷預(yù)壓，提高地基的抗剪強(qiáng)度和承載力；三是先沖填加荷預(yù)壓，再用粉噴樁加固，提高地基的綜合強(qiáng)度。

第一步，基礎(chǔ)暫不處理，經(jīng)瑞典圓弧法計(jì)算三種邊坡抗滑穩(wěn)定均不滿足要求，只是堤防坡度變緩安全系數(shù)稍有增加；第二步，分別按地基換砂2m和4m厚度，經(jīng)計(jì)算其安全系數(shù)仍不滿足要求，且換填方量分別為7.5萬(wàn)m3和15萬(wàn)m3，工程量較大，此方案也不可行；第三步分期沖填加荷預(yù)壓方案，即采用分期沖填的方法，靠壩體自身排水預(yù)壓固結(jié)。共分三期沖填，當(dāng)年汛后進(jìn)行第一次沖填，第二年汛后隨即取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，如達(dá)到預(yù)期效果，即進(jìn)行第二次沖填，一年后再取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，如達(dá)到預(yù)期效果，即進(jìn)行第三次沖填。如現(xiàn)場(chǎng)取樣土工試驗(yàn)未達(dá)到抗滑穩(wěn)定計(jì)算中假定的抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、Ф取值，適當(dāng)延長(zhǎng)沖填間隔時(shí)間，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣的土工試驗(yàn)值，重新復(fù)核穩(wěn)定計(jì)算。具體沖填步驟為第一期從21.00m沖填至24.00m，抗剪強(qiáng)度參數(shù)取原狀地基土工試驗(yàn)資料提供的值。第二期沖填至26.53m，原狀地基土工試驗(yàn)資料提供的C值為1kPa，計(jì)算中考慮預(yù)壓后取C=2kPa，其升值量主要考慮預(yù)壓之后的預(yù)期值，并有待實(shí)施中根據(jù)實(shí)際跟蹤檢測(cè)進(jìn)行復(fù)核。第三期沖填至29.53m，原狀地基土工試驗(yàn)資料提供的C值為1kPa，計(jì)算中考慮預(yù)壓后取C=2kPa；以上經(jīng)過(guò)三次沖填后預(yù)壓，經(jīng)抗滑穩(wěn)定計(jì)算滿足要求，但是施工期太長(zhǎng)，且堤防邊坡需達(dá)到1∶7以上，為工程安全著想，地基處理方案最終采用先沖填加荷預(yù)壓，再用粉噴樁加固的方案。經(jīng)一年的預(yù)壓固結(jié)，地基條件將有所改善，再用粉噴樁加固，兩種措施共同作用，可確保地基處理達(dá)到預(yù)想的狀況。具體方案為第一期沖填至24.00m，第二年汛后實(shí)施粉噴樁，并對(duì)邊坡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在沖填堤防的同時(shí)對(duì)彎內(nèi)8萬(wàn)m2區(qū)域進(jìn)行沖填，高程為27.40m（高于城西湖蓄洪水位1m），作為莊臺(tái)供拆遷安置使用，節(jié)約耕地400多畝。南灘大彎堤防最終設(shè)計(jì)斷面如圖1。

圖1 采用沖填加荷預(yù)壓及粉噴樁共同加固地基后南灘大彎設(shè)計(jì)斷面圖

3.2 粉噴樁設(shè)計(jì)

根據(jù)該工程具體情況，樁頂高程取24.00m，樁底伸入原狀粉質(zhì)粘土以下1m，樁徑50cm，為節(jié)約投資，樁體采用兩種規(guī)格，荷載較大的中間部位采用灰土比15%（每米噴灰量約56kg），抗壓強(qiáng)度約1300kPa，其他的采用灰土比12%（每米噴灰量約45kg），抗壓強(qiáng)度約1000kPa。

3.2.1 樁自身強(qiáng)度計(jì)算

樁截面積為0.196m2；

灰土比12%，單樁可承受荷載為1000×0.196=196kN；

灰土比15%，單樁可承受荷載為1300×0.196=254.8kN。

3.2.2 樁頂荷載計(jì)算

按復(fù)合地基受力機(jī)理，原地基地層和樁體分別承擔(dān)一部分上部荷載，根據(jù)勘測(cè)資料，原地基承載力約80kPa，最大荷載位于堤頂部位，填土高為8.53m，濕土重取19kN/m3，樁距及排距均取1.75m，則每個(gè)樁承擔(dān)（8.53×19-80）× 1.752=251.3kN＜254.8kN，因此選用的樁距及排距、灰土比15%均滿足要求。同理，壩坡平臺(tái)部位，高程26.53m，樁距及排距均取3m，灰土比12%也滿足要求。經(jīng)計(jì)算高程24.00m平臺(tái)以下無(wú)需設(shè)樁。

3.3 沖填壩設(shè)計(jì)

3.3.1 抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算因地基處理方案最終采用沖填加荷預(yù)壓加粉噴樁，因此需對(duì)壩體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定復(fù)核，仍采用瑞典圓弧法計(jì)算。第一期沖填至24.00m，抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、Ф取原地基狀態(tài)土工試驗(yàn)資料值；設(shè)樁后壩體沖填至壩頂高程，高程21.00m以下軟土層C值采用設(shè)樁后綜合值，取C=10.5kPa，21.00m高程以上C值采用預(yù)壓后現(xiàn)場(chǎng)取樣的土工試驗(yàn)資料值，經(jīng)計(jì)算在正常運(yùn)用及非常運(yùn)用工況條件下，第一期沖填完成、全部沖填完成及建成后設(shè)計(jì)洪水位三種情況，抗滑安全系數(shù)全部大于規(guī)范規(guī)定的值。3.3.2壩體沉降計(jì)算

粉噴樁設(shè)樁必須在壩體第一期沖填至24.00m高程以后進(jìn)行的，故先計(jì)算高程24.00m以下的壓縮沉降，計(jì)算結(jié)果，沉降量為0.455m。設(shè)樁后壩體的重量由樁承擔(dān)了19× 8.53-80=82kPa，占?jí)误w總重量的82/（19×8.53）=50.6%，計(jì)算結(jié)果壩總沉降量為0.459m，此值與高程24.00m以下的壓縮沉降量基本接近，說(shuō)明采用粉噴樁復(fù)合地基后，壩身由高程24.00m，沖填至壩頂29.53m不再發(fā)生明顯沉降。并按規(guī)范規(guī)定，進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

以上簡(jiǎn)要介紹了水力沖填法在淮河干流城西湖蓄洪大堤南灘段筑堤設(shè)計(jì)中具體應(yīng)用情況，供讀者在具體工作中參考，實(shí)際工作中應(yīng)重點(diǎn)把握以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)新建的堤防或大壩，應(yīng)認(rèn)真查明原狀地基情況，首先做好地基處理。沖填預(yù)壓固結(jié)對(duì)處理軟弱地基是一種常用的辦法，但要求預(yù)壓固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，施工工期相對(duì)較長(zhǎng)，實(shí)際工作中，應(yīng)結(jié)合其他地基處理措施共同發(fā)揮作用，如粉噴樁、換填法、擠密砂樁等，以達(dá)到安全可靠的效果。

（2）水力沖填壩（堤防）的沖填期數(shù)及每期沖填的進(jìn)度，應(yīng)根據(jù)沖填土料情況、壩高及施工工期要求，綜合分析確定；沖填壩（堤防）設(shè)計(jì)與土壩及堤防的設(shè)計(jì)是一樣的，只是首先要合理選定沖填的土源、沖填的距離，并根據(jù)沖填土料情況、壩高及施工工期要求，綜合分析確定沖填壩（堤防）的期數(shù)及每期沖填的高度，并在不同壩高上進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算等。

（3）根據(jù)水力沖填的距離，堤防填筑總土方量、土料情況及施工工期，合理選擇沖填設(shè)備，以節(jié)約投資