張志遠

(廣州市珠江前后航道流域事務中心，廣州 510640)

0 引 言

混合式堤防在我國沿海地區(qū)堤防工程的應用越來越越廣泛，堤防斷面的設計滿足防洪潮要求，根據(jù)規(guī)劃體現(xiàn)堤岸的親水性，同時兼顧旅游觀光、生態(tài)環(huán)境保護及城市整體建設等。沈志平在潭江河某段治理工程選取5種組合型堤型以改善臺山段河道現(xiàn)狀；劉鵬晨、王紅霞以混合式堤防工程為例，對提標斷面堤型、護坡結構、防浪墻加固形式進行方案比選；項印玉等學者對國內外關于混合式堤防上平均越浪量的主要計算方法進行綜合分析比較，并結合工程實例提出計算方法的可靠性[1-6]。

番禺區(qū)江環(huán)水繞，境內河網(wǎng)縱橫，現(xiàn)階段工程區(qū)范圍內堤段防洪標準普遍偏低，嚴重制約了當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展，文章以廣州市珠江大學城段堤防建設工程為研究背景，在對場區(qū)內工程地質分段評價的基礎上，結合實際施工采用理正軟件和PLAXIS 2D 有限元軟件計算不同工況下新建混合式堤防的穩(wěn)定性，以期為該水利工程建設提供技術參考，擬通過整治提高防洪標準，提升防洪排澇保障能力，推動區(qū)域水利跨越發(fā)展。

1 工程概況

工程所在地位于大學城(小谷圍島)的對岸，珠江廣州河段的新造水道南岸，北望大學城。工程設計洪(潮)標準為200a一遇，堤防工程級別為1級，穿堤建筑物工程級別為1級。工程起點位于思賢水閘(樁號0+000.00)，終點位于員崗水閘(樁號10+099)，整治岸線全長10.099km。新建堤防主要堤型為斜坡式、混合式兩種堤型，本次設計整治堤段共計13段，整治長度4541m，其中新建堤防3112m，舊堤改造1429m；重建、新建穿堤涵閘共13座。

工程主要存在的問題主要有以下4個方面：

1)防洪潮標準低：工程現(xiàn)狀部分堤段已建有堤防，但堤頂高程及堤頂寬均不能滿足1級堤防的規(guī)范要求，部分已建堤段堤防老化，年久失修，不能達到規(guī)范要求的防洪潮標準；局部堤段現(xiàn)狀無護岸，存在一定的安全隱患。

2)堤岸結構型式單一，不能滿足生態(tài)堤防的要求：工程現(xiàn)狀堤防多為漿砌石或干砌石，無任何生態(tài)措施，更無景觀設計，嚴重影響珠江兩岸及番禺區(qū)的自然環(huán)境，制約人水和諧生態(tài)型水利事業(yè)的發(fā)展。

3)堤岸穿堤建筑物老化：工程穿堤涵閘較多，部分穿堤涵閘由于建成年代久遠，工程現(xiàn)已老化，年久失修，危及堤防安全。且缺少閘門控制，每遇外江高水位時，江水倒灌至排水管網(wǎng)，從窨井冒出，出現(xiàn)水浸街等內澇現(xiàn)象。

4)工程護堤線不明確，違章建筑較多：部分居民及工廠直接將房子建于岸邊，嚴重影響堤防工程的建設，堤頂防汛道路標準較低，部分路段路面高低不平，將影響防汛搶險。

2 工程地質評價

2.1 地形地貌

工程區(qū)內為珠江三角洲淤積、沖積平原地貌與剝蝕殘山地貌為主。圍堤與堤內工廠、堆砂場、油罐碼頭以及居民區(qū)無明顯分界，僅部分地區(qū)可見較為完整的堤形，部分堤段堤路合一，堤頂高程一般1.5～4.0m。堤外多無灘，僅在新基村至涌口水閘西側附近，有外灘，寬30～100m，外灘灘面高程一般1～2m。迎水面均為直立干砌石或漿砌石擋墻，擋墻墻腳多處于水下。

2.2 堤基巖土物理力學性質

工程區(qū)主要被第四系填土層和沖積層覆蓋。河道沿線巖土可分4大層，自上而下依次為：①人工填土(Q4s)、②第四系全新統(tǒng)河流沖積層(Q4al)、③第四系上更新統(tǒng)河流沖積相(Q3al)、④風化基巖。

堤基主要由黏性土、淤泥、淤泥質黏土及砂層等組成，堤基結構較多，主要為I3類堤基地質結構和Ⅲ2類堤基地質結構，分別占到全堤段的33.6%和20.5%；其次為Ⅲ1類堤基地質結構和Ⅲ3類堤基地質結構，分別占到總長的10.1%和12.6%；Ⅰ1類、I2類、Ⅱ1類、Ⅱ2類、Ⅱ3類、Ⅲ4類堤基地質結構分布有限，合計占總長約23%。不同層位巖土物理力學指標見表1。

表1 巖土物理力學指標

2.3 堤身工程特性

由于工程區(qū)沿江堤防是在歷經(jīng)不同的時代、分不同的地段經(jīng)多次加高培厚而成現(xiàn)在的規(guī)模，因此各堤段堤身物質組成不盡相同，填筑料受當?shù)貤l件制約，多為就地取材，總體上堤身多由砂質黏性土層組成，各處的含泥量不同，但壓實程度大多較好，部分堤段表部為礫砂及碎石，部分堤段堤頂已被混凝土硬化路面，導致不同堤段堤身的滲透性存在較大差異。堤身主要存在的安全隱患為部分堤段的堤頂高程不足，當遇到特大洪水與高潮水位時可能會造成漫堤。

沿岸堤身均回填有填土，整體厚度不均，鉆孔揭露厚度約1.6～7.0m，相應底板高程為-4.8～0.9m，堤身主要由粉質黏土組成，部分堤段砂質含量較高，局部堤段表層含有混凝土碎塊、煤渣等，填土下部均分布有淤泥或淤泥質粉質黏土。主體堤身密實度一般，干密度ρd為1.47～1.50g/cm3，現(xiàn)場標貫試驗擊數(shù)為8～10擊，平均為9擊，現(xiàn)場鉆孔注水試驗滲透系數(shù)約為K=5.02×10-4～3.16×10-5cm/s，平均滲透系數(shù)為1.28×10-4cm/s，屬弱～中等透水性，局部堤段滲漏嚴重。

2.4 工程地質分段及評價

綜合分析項目區(qū)工程地質條件，將堤防劃分為工程地質條件好(A)、較好(B)、較差(C)和差(D)4類：

工程堤防主要為C類和D類，占總長分別為52.7%和35.7%，其次為A類和B類，占總長分別為5.4%和6.2%。A類堤基工程地質條件好，不需要進行處理；B類堤基工程地質條件較好，基本不存在軟土沉降變形、抗滑穩(wěn)定、抗震穩(wěn)定等主要工程地質問題，堤內側局部低洼處存在滲透變形問題；C類和D類堤基工程地質條件差，以淤泥、淤泥質土為主，在現(xiàn)狀下基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但加固堤身可能引起沉降變形、抗滑穩(wěn)定等工程地質問題，具體見表2。

表2 工程區(qū)堤防工程地質分段表

3 混合式堤防穩(wěn)定性計算及評價

結合區(qū)域規(guī)劃及現(xiàn)狀地形，總結已建廣州珠江堤防的經(jīng)驗，選用既滿足結構穩(wěn)定的需求，又滿足景觀布置要求和親水效果的混合式堤防為主要堤型。

3.1 預制沉箱混合式堤防方案

方案采用碎石墊層或拋石基床作為預制沉箱基礎，基礎結合現(xiàn)狀進行開挖，臨江側主要為淤泥質土開挖，開挖邊坡坡比采用1∶2，內側臨時開挖邊坡坡比采用1∶1.5，若內側開挖坡比陡于1∶1.5，則采用鋼板樁支護進行開挖，開挖完成后大塊石拋填或碎石填筑。對于堤基軟土層深度大且新增荷載大的堤防，采用深層水泥攪拌樁進行處理；對于堤基軟土層深度小的堤防，采用挖除軟土置換塊石的方法處理，從而提高地基承載力。

在拋石基床或碎石墊層上吊裝C30鋼筋混凝土U型預制混凝土沉箱為護岸，沉箱外側高程0.5m以下采用拋石護腳，沉箱頂設濱江人行道，寬3.0m，高程1.5m。人行道以上放坡至堤頂，坡度1∶3，斜坡采用綠化混凝土護坡，營造親水環(huán)保景觀；背水坡坡比為1∶3，采用草皮護坡，堤腳設縱向排水溝。堤防結合防汛道路設計路面寬8m，為瀝青混凝土路面。

3.2 沉箱結構穩(wěn)定計算

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》，防洪墻設計荷載組合分為正常情況和非常情況2類：

工況1：正常運用情況，設計低潮(水)位，多年平均低潮位-0.74m，堤后水位0.02m。

工況2：非常運用情況，多年平均低潮位遭遇地震，多年平均低潮位-0.74m，堤后水位0.02m。

1)沉箱的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應按下式計算：

(1)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑W為墻體上的垂直力的總和，kN；∑P為墻體上的水平力的總和，kN；f為底板與堤基之間的摩擦系數(shù)，取0.45。

2)沉箱的抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)應按下式計算：

(2)

式中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為抗傾覆力矩，kN·m；∑P為傾覆力矩，kN·m。

3)沉箱基底應力應按下式計算：

(3)

式中：σmax,min為最大和最小壓應力，kPa；∑G為垂直荷載，kN；∑M為荷載對底板形心軸的力矩，kN·m；∑W為底板的截面系數(shù)，m3。

選擇樁號K1+104.10計算，各工況下沉箱抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)、沉箱基底應力和拋石基床基底應力及其不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求，具體見表3。

表3 沉箱穩(wěn)定計算成果表

3.3 整體穩(wěn)定性計算

計算堤防整體穩(wěn)定時，根據(jù)斷面型式、地基、新增荷載情況，選擇有代表性的斷面進行穩(wěn)定計算，本次選擇2個斷面進行穩(wěn)定計算，分別為0+195.19斷面和0+335.68斷面，由于堤后高程普遍在2.0m以上，堤防填高較小，因此本設計僅對臨水側邊坡進行穩(wěn)定計算，背水側不予計算。

堤防為1級建筑物，計算方法采用瑞典圓弧法，采用北京理正巖土和PLAXIS 2D有限元分析軟件進行整體穩(wěn)定計算。施工期的穩(wěn)定采用總應力法，計算強度指標采用快剪指標；水位驟降期及穩(wěn)定滲流期的穩(wěn)定計算強度指標采用慢剪指標，考慮到淤泥固結時間長，固結度低等特點，故采用固結快剪指標。

該工程區(qū)域設計烈度為7度，需要進行抗震計算。大堤邊坡穩(wěn)定分析的計算工況如下：

1)加固前：① 現(xiàn)狀：采用現(xiàn)狀堤防斷面，外江水位采用多年平均低潮位-0.74m，對應堤后水位取地面高程，計算外江側邊坡；②加高后(不采取其他措施)：采用現(xiàn)狀堤防斷面并增加等效于加高堤身的荷載，外江水位采用多年平均低潮位-0.74m，對應堤后水位取地面高程，計算外江側邊坡。

2)加固后：① 正常運用條件：工況一：外江水位由設計潮水位2.80m降落-0.74m，對應堤后水位取地面高程，計算臨水側邊坡；② 非常運用條件：工況二：外江水位為歷史最低潮位-1.93m，對應堤后水位取地面高程，計算臨水側邊坡；工況三：施工期，外江水位為多年平均低潮位-0.74m，對應堤后水位取地面高程，計算臨水側邊坡；工況四：外江水位為多年平均高潮位0.78m遇地震，對應堤后水位取地面高程，計算臨水側邊坡。

其中計算巖土體參數(shù)選用表1數(shù)值，1.2×1.2m，10m長水泥土攪拌樁復合地基固結快剪強度指標為黏聚力19.03kPa、內摩擦角16.66°。

以0+195.19斷面為例，北京理正巖土和PLAXIS 2D有限元分析軟件整體穩(wěn)定計算模型，共生成939個單元，8047個節(jié)點。

各工況穩(wěn)定計算成果見下表，根據(jù)計算成果可知，理正計算結果與PLAXIS計算結果相似，模型合理可行，現(xiàn)狀堤防安全系數(shù)均在1以上，但增加等效于加高堤身的荷載后，安全系數(shù)降低，無法滿足規(guī)范規(guī)定的要求，甚至達不到1，因此這些堤段不能僅僅簡單的加高堤身，同時應該對堤基進行適當?shù)奶幚?，由表可知，按照本設計加固后的堤防整體穩(wěn)定在各個工況下均滿足要求，因此本次設計方案是合理、可行的，同時也是必須的。

表4 整體穩(wěn)定計算成果

3.4 滲流穩(wěn)定計算

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》，本工程應進行滲流穩(wěn)定計算，主要是計算背水坡和臨水坡滲流出口比降，分析滲流對黏土的破壞作用以及發(fā)生滲透變形的可能性。堤坡逸出段的滲流比降應小于允許比降。本次計算選取樁號5+440.85(南村油庫～永大集團段)作為最不利剖面進行計算。計算參數(shù)采用地質報告建議參數(shù)，并參照附近類似土層選取，詳見表5。

表5 各土層滲透系數(shù)表

計算采用PLAXIS 2D的滲流模塊進行滲流計算，滲流有限元分析基本方程為：

(4)

式中：[K]為透水系數(shù)矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單元儲水量矩陣；{Q}為流量向量。

共設置三種工況，在穩(wěn)定滲流時：工況一：設計洪水位2.8m，對應堤后無水；工況二：多年平均低潮位-0.74m，對應堤后無水(取地面高程)；在非穩(wěn)定滲流：工況三：多年平均高潮位0.78m驟降至多年平均低潮位-0.74m，對應堤后無水。計算結果為見表6。

表6 各土層滲透系數(shù)表

根據(jù)上表計算成果，背水坡出逸比降均小于允許滲透比降，堤身不會發(fā)生滲透破壞，因此不需要采用其他工程措施。

4 結 論

文章以廣州市珠江大學城段堤防建設工程為研究背景，對場區(qū)內工程地質進行分段評價，結果顯示工程堤防主要為C類和D類，占總長分別為52.7%和35.7%，其次為A類和B類，占總長分別為5.4%和6.2%。

采用理正軟件和PLAXIS 2D 有限元軟件計算不同工況下新建混合式堤防的穩(wěn)定性，結果顯示各工況下沉箱抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)、沉箱基底應力和拋石基床基底應力及其不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求；現(xiàn)狀堤防整體安全系數(shù)大部分均在1以上，增加等效于加高堤身的荷載后安全系數(shù)降低，加固后的堤防整體穩(wěn)定在各個工況下均滿足要求，本次設計方案合理、可行；背水坡出逸比降均小于允許滲透比降，堤身不會發(fā)生滲透破壞，無需采取工程措施。

文章對典型混合式堤防斷面進行整體穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定計算，對工程建設有一定的指導意義，但后期應結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對前期計算結果進行校正，已到達設計預期效果。