福建莆田木兰溪防洪工程白塘段滩地及河道整治方案探讨

陈瑞椿

（莆田市萩芦溪水电管理处，福建 莆田 351100）

1 白塘段工程简况

莆田市木兰溪防洪工程白塘段堤防工程起于木兰溪下游涵坝水闸（起点桩号BT0+000），止于宁海桥上游570 m（止点桩号BT2+650.73）处[1]。白塘段主槽整治范围为涵坝水闸外引港末端至宁海桥段，整治岸线长2650.73 m（桩号BT0+000.0～BT2+650.73）[1]，其中桩号 BT0+000.0～BT0+172.41 段涵坝水闸外引港护岸段工程量及投资已在木兰溪下游三期荔涵段防洪工程中计列，实际需要整治主槽岸线长2478.32 m。

白塘段防洪工程位于旧河道，主槽岸坡平均流速大于2.0 m/s，左岸易受水流冲刷。位于河道弯道的镇前左岸（桩号BT1+092.89～BT2+120.47）（见图1）凹岸河槽在小洪水作用下，冲刷坑深2.0 m左右，在50年一遇洪水作用下，最大冲刷坑深3m～4m。地质勘测资料显示，本工程范围内河道主槽边坡多为粉质粘土、淤泥质粉质粘土和淤泥，凹岸冲刷段河道主槽现有天然土层无法满足抗冲要求，主槽需进行防冲护砌。

2 主槽水流顶冲段防冲方案

2.1 方案选定

白塘段镇前段（桩号BT1+092.89～BT2+120.47）为水流顶冲段。设置丁坝是常用的处理水流顶冲的措施之一，但设置丁坝对河势影响较大。木兰溪下游河道断面平均流速一般大于2.0 m/s，设置丁坝后可能解决了其下游一定河段内的冲刷问题，但可能将主流挑至对岸，水流紊乱、流态复杂，给对岸或上游河段带来新的冲刷问题。采用单一抛石，由于每块抛石都是松散体，河床掏刷成沟槽后，松散的石块坍落入沟槽，抛石护脚将最终失效。

根据现状堤外滩地地形和感潮河段的施工条件，河道主槽护岸岸顶高程确定为4.0 m，坡脚高程为0.50 m，主槽岸坡高程0.5 m～4.0 m范围采用孔洞率约30%～40%的联锁式大块型生态混凝土砌块护砌，面层生态混凝土砌块厚150 mm，孔洞内回填碎石，下层铺设200 mm厚度碎石垫层和350 g/m2反滤土工布。根据河段水文、地形地质条件，结合主槽护岸边坡稳定情况，对护岸的护脚防冲结构和边坡加固方式拟定三种方案进行比选。

（1）方案一:护脚软体排防冲+边坡水泥搅拌桩加固。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床采用C25混凝土预制块软体排防冲处理，软体排展开长度40.0 m。河床受洪水冲刷后形成较深的冲刷坑，经计算，天然地基主槽边坡虽基本稳定，但无法达到规范规定的抗滑稳定要求。为保护主槽岸坡的稳定，在坡顶布置Ф600 m水泥搅拌桩加固，共3排，桩距为1.0 m，梅花型布置，桩身穿透淤泥质粉质粘土，桩端置于砂卵石或粉质粘土层上。见图2。

图2 护脚软体排防冲+边坡水泥搅拌桩加固方案断面图

（2）方案二:护脚抛填块石+面层合金网兜防冲。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床抛填块石，抛石体面层采用合金网兜石防冲处理。合金网兜采用特种合金材料制成兜状，钢丝直径2.0±0.05 mm，内装块石，单个石兜重约1 t，摊铺后平均厚0.45 m。由于凹岸河床现状底面高程较低，主槽岸坡高程0.5 m～-3.5 m之间仍为1∶5.0～1∶8.0的斜坡，根据主槽边坡稳定计算结果，河床冲刷形成深坑后，天然地基主槽边坡虽基本稳定，但无法达到规范规定的抗滑稳定安全要求。为保护主槽岸坡的稳定，在主槽岸坡坡脚高程0.5 m布置15.0 m宽的反压平台，因此，河床抛填块石的宽度在20 m以上。见图3。

图3 护脚抛填块石+面层合金网兜防冲方案断面图

（3）方案三:护脚软体排防冲+坡脚灌注桩加固。即主槽岸坡0.5 m高程以下河床采用C25混凝土预制块软体排防冲处理，软体排展开长度30.0 m，河床冲刷后形成较深的冲刷坑，经计算，天然地基主槽边坡虽基本稳定，但无法达到规范规定的抗滑稳定安全要求。为保护主槽岸坡的稳定，在岸坡靠近坡脚位置布置Ф1000@1200 mm钻孔灌注桩连续墙加固，以减小围护桩承受的荷载，缩短桩长。由于受到潮汐影响，围护桩位置以尽量延长施工时段考虑，施工平台高程约为2.5 m，设计桩长20.0 m，桩端进入砂卵石层。见图4。

图4 护脚软体排防冲+坡脚灌注桩加固方案断面图

以上三种护岸结构的可比工程量及投资比较成果（以15 m长作为一个计算单元）见表1。

经比较，方案一和方案二工程投资相当，方案三投资最高，且远大于方案一和方案二。方案二采用护脚抛填块石+面层合金网兜石护面，虽然合金网石兜采用特种合金材料使单个相互独立的小块石形成整体，“以小拼大”成大体积块体，具有抵抗高速水流防冲作用。但是，木兰溪河道河床表层为深厚的淤泥质粉质粘土层，凹岸水流作用下，河床可能形成3 m～4 m深的冲刷坑，临河床侧面层合金网兜及其下部的抛填块石体会随着冲刷坑的发展塌落，下部抛填块石裸露，受到水流常年冲刷影响，抛石体逐渐流失，护脚平台宽度缩小，或将危及主槽护岸边坡的整体稳定，日常运行管理时，须对护脚抛石体的变化加强监测，必要时及时采取补抛加固处理，工程运行维护成本高。因此，推荐方案一“护脚软体排防冲+边坡水泥搅拌桩”方案。

表1 主槽凹岸护岸结构型式比较表

2.2 堤防及主槽边坡抗滑稳定计算

堤防边坡抗滑稳定按照《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）附录F中的有关规定进行计算。

（1）本工程土堤堤基土层相对均匀，土堤的失稳破坏形式为圆弧滑动，土堤抗滑稳定采用瑞典条分法进行计算。计算公式为:

式中:Ks为计算安全系数；C为滑动面的凝聚力，kPa；L为滑弧总长，m；r为土的密度 kN/m3；bi，hi为土条的宽度和高度，m；W为土条重量，kN/m，W=r×bi；ai为土条弧边的弦与水平线夹角度，°；φ 为土的内摩擦角度，°。

（2）土堤抗滑稳定计算工况分为正常情况和非常情况。

①堤防边坡稳定计算

正常运用条件为:

工况1:设计洪水工况，木兰溪河道水位为P=2%设计洪水位，计算堤防背水坡的抗滑稳定。

工况2:骤降工况，木兰溪河道水位从P=2%设计洪水位骤降3.0 m，计算迎水坡的抗滑稳定。

非常运用条件为:

工况3:施工期，木兰溪河道为低潮位-1.0 m，堤后北洋河网正常水位为3.70 m，计算堤防迎水坡、背水坡的抗滑稳定。

②主槽护岸边坡稳定计算

正常运用条件为:

工况1:骤降工况，潮水位6小时内从滩地高程3.5 m骤降至-1.0 m，计算主槽岸坡的抗滑稳定。

非常运用条件为:

工况2:施工期工况，木兰溪河道低潮位-1.0 m，堤后北洋河网正常水位为3.70 m，计算主槽岸坡的抗滑稳定。

③堤防及主槽护岸边坡稳定计算

正常运用条件为:

工况1:骤降工况，木兰溪河道水位从P=2%设计洪水位骤降3.0 m，计算堤防及主槽岸坡的整体抗滑稳定。

工况2:骤降工况，潮水位6 h内从高程3.5 m骤降至-1.0 m，计算堤防及主槽岸坡的整体抗滑稳定。

非常运用条件为:

工况3:施工期，木兰溪河道低潮位-1.0 m，堤后北洋正常水位为3.70 m，计算堤防及主槽岸坡的整体抗滑稳定。

（3）计算成果

根据地质土层分布情况及岩土的物理力学指标，场地土存在有较厚的淤泥质粉质粘土，软土抗剪强度低、承载力低，易变形，呈高压缩性，存在抗滑稳定问题，堤基工程地质条件差。本次 分 别 选 取 桩 号 BT0+250.00、BT1+300.00、BT2+000.00 和BT2+500.00等几个典型断面进行边坡抗滑稳定计算。堤身夯填粘性土计算指标根据料场勘探成果，结合上游已建堤段的堤身填土经验确定，即饱和快剪Cq=23 kPa，Фq=16°；饱和固快Cq=16 kPa，Фq=20°。

①堤防边坡抗滑稳定计算

在主槽岸坡稳定的情况下，计算天然地基条件下的堤防迎水坡、背水坡各工况抗滑稳定成果见表2。

表2 堤防边坡抗滑稳定计算结果（不考虑主槽岸坡稳定情况的天然地基）

由表2计算成果可知，在主槽岸坡稳定的情况下，计算天然地基条件下的堤防迎水坡、背水坡各工况抗滑稳定满足规范要求。

②主槽护岸边坡抗滑稳定计算

白塘段整治后的主槽岸坡坡比为1∶5.0，坡顶高程为4.0 m，坡脚高程为0.50 m，高程0.50 m以下河床按照现状地形采用C25混凝土预制块软体排进行铺底防冲处理，护岸边坡稳定计算复核河床受水流作用并形成冲刷坑后的整体抗滑稳定情况。本次选取桩号BT0+250.00和BT1+300.00两个断面，计算主槽护岸在天然地基条件下的边坡抗滑稳定，成果见图5、图6及表3。

图5 工况一主槽护岸桩号BT0+250.00断面边坡抗滑稳定计算简图（天然地基）

图6 工况一主槽护岸桩号BT1+300.00断面边坡抗滑稳定计算简图（天然地基）

表3 主槽护岸边坡抗滑稳定计算结果（天然地基）

为保护主槽护岸的稳定，在“主槽护岸结构型式比选”中确定采取Ф600 mm深层水泥搅拌桩对主槽岸坡进行加固，桩距为1.0 m，梅花型布置，共3～4排，面积置换率为32.6%。水泥搅拌桩设计水泥掺量为17%，桩身抗压强度按1.0 MPa计算，推算水泥搅拌桩桩身抗剪强度C=250 kPa，内摩擦角φ=25°，加固后的淤泥质粉质粘土层综合抗剪强度C=92 kPa，内摩擦角φ=10.6°。

主槽岸坡采用Ф600 mm深层水泥搅拌桩加固处理后，边坡抗滑稳定满足规范要求。加固后各工况主槽护岸边坡抗滑稳定计算成果见图7、图8及表4。

图7 工况一主槽护岸桩号BT0+250.00断面边坡抗滑稳定计算简图（岸坡加固处理后）

图8 工况一主槽护岸桩号BT1+300.00断面边坡抗滑稳定计算简图（岸坡加固处理后）

表4 主槽护岸边坡抗滑稳定计算结果（主槽护岸岸坡加固处理后）

③岸整体抗滑稳定计算

根据白塘段堤防及主槽护岸工程布置及选定的主要建筑物结构型式，整治后的主槽岸线距离堤轴线18 m～55 m，滩地宽度9 m～45 m，其中主槽护岸桩号HA0+000.00～HA0+264.94和HA1+453.17～HA2+992.41段滩地宽度较窄，仅9 m～25 m，其余段滩地宽度为25 m～45 m。本次计算对主槽护岸采用Ф600 mm水泥搅拌桩加固的工程段，分别选取桩号BT0+250.00和BT1+300.00断面进行整体边坡抗滑稳定复核。

在堤基为天然地基条件下，计算堤防及主槽护岸整体边坡抗滑稳定成果见图9及表5。

图9 工况二桩号BT0+250.00断面堤防及主槽护岸边坡整体抗滑稳定计算简图（主槽岸坡加固处理，堤基为天然地基）

表5 堤防及主槽护坡整体边坡抗滑稳定计算结果（堤基为天然地基）

由表5可知，主槽护岸采用水泥搅拌桩加固后，因桩号BT1+300.00断面所处位置滩地较宽，堤防及主槽岸坡整体抗滑稳定满足规范要求；而桩号BT0+250.00断面所处位置滩地较窄，在潮水位从3.50 m骤降至-1.0 m工况时，堤防及主槽护岸岸坡整体抗滑稳定系数大于1.0，但不满足规范要求。经试算，在主槽岸坡采用水泥搅拌桩加固后，堤前滩地宽度大于22.0 m时，堤防及主槽护岸边坡整体抗滑稳定满足规范要求。因此，需对堤防桩号BT0+150.00～BT0+450.00和BT1+650.00～BT2+250.00段堤防的堤基进行加固。建议在护脚位置布置3排Ф600 mm水泥搅拌桩加固，桩距1.0 m，梅花形布置。堤基加固处理后计算桩号BT0+250.00断面的堤防及主槽护岸整体抗滑稳定成果见表6。

表6 堤防及主槽护岸整体边坡抗滑稳定计算成果

由表6可知，堤基和主槽护岸岸坡采用Ф600 mm水泥搅拌桩加固后，堤防及主槽护岸整体抗滑稳定满足规范要求。

由以上计算可知，因工程区地基存在深厚的淤泥质粉质粘土层，且下卧的粉砂层粘聚力低，存在边坡抗滑问题。为保护主槽护岸边坡的稳定，需对主槽岸坡进行加固处理。同时，本堤段新建堤防局部紧邻主槽护岸，经分析，对堤外滩地宽度小于22.0 m堤段，需对堤防堤基进行加固处理，以满足堤防及主槽岸坡整体抗滑稳定需要。建议采用Ф600 mm水泥搅拌桩加固，桩间距为1.0 m，梅花型布置。堤基及主槽岸坡加固处理后，各种工况的堤防及主槽岸坡整体抗滑稳定计算成果见表7。

表7 堤防及主槽护岸整体边坡抗滑稳定计算结果

3 结语

根据主槽岸坡的地形、地质条件，因采取水泥搅拌桩加固的范围位于现有主槽内侧滩地上，施工条件较好，潮水涨落对施工影响有限，且工程投资远低于方案三。因此，推荐方案一，即河道主槽岸坡高程0.50 m～4.0 m范围采用孔洞率约30%～40%的联锁式大块型生态混凝土砌块护砌，坡脚以外河床采用C25混凝土预制块软体排防冲处理，边坡采用Ф600 mm水泥搅拌桩加固。