钻孔灌注桩在城市防洪高陡岸坡堤防中的应用

(1.芜湖市河道管理局，安徽 芜湖 241000； 2.安徽省长江河道管理局，安徽 芜湖 241000)

1 概 况

芜湖市位于安徽省东南部，地处长江下游两岸，市域面积6026km2，下辖无为、芜湖、繁昌、南陵四县和镜湖、弋江、鸠江、三山四区，以及两个国家级开发区，市区面积1064.7km2。

芜湖古有“长江巨埠，皖之中坚”之名，是我国著名的“四大米市”之一、国务院批准的沿江重点开放城市、国家级优秀旅游城市、皖江城市带承接产业转移示范区核心城市、南京都市圈成员城市、滨江山水园林城市。

鉴于城市的重要性，芜湖市被国务院列入全国首批30座重点防洪城市之一，因此建设安全可靠的城市防洪工程是维持本地区国民经济发展和社会稳定必不可少的前提条件。

2 水文气象及地貌

2.1 水情

芜湖市中心城区滨江而建，地处长江中下游平原，属亚热带气候，四季分明，温暖湿润。

据芜湖雨量站1880年建站以来的资料统计，1991年雨量最大，为1924mm；1978年雨量最小，仅为562mm；丰枯水年相差3倍以上。该地区全年降雨主要集中在汛期5—9月，为735mm，约占全年的60%；年平均雨量1192mm。年极端最高气温为41.1℃(1959年)，最低气温为-13℃(1969年)，多年平均气温为15.8℃。

据史料记载，芜湖水位站自1900年建站以来，实测最高洪水位为1954年8月25日的12.87m(吴淞高程，下同)，最低枯水位为1959年2月1日的2.11m。多年平均高水位为10.31m，多年平均低水位为3.58m，年水位高度变幅达7～10m。

2.2 地貌

芜湖市中心城区位于长江下游南岸的冲积平原地带，大部分为地形平坦开阔、河渠交错的平原圩区，有少量山丘分布。区内地形稍有起伏，基本呈东南高、西北低的趋势，沿江地区高程为9～11m。区内山丘主要有赭山、范罗山、弋矶山、四褐山等，区内河渠纵横，除长江外，主要支流有青弋江、扁担河、漳河、荆山河等。区内江堤外河漫滩比较狭窄，部分堤段基本无外滩地。内河段堤外临水侧大部分没有滩地，堤脚紧临河槽，背水侧堤脚渊塘密布。

长江自南向北流经中心城区，跨长江芜湖河段，沿江岸线基本呈内凹状，深泓贴岸，岸坡冲刷较为强烈。

3 城市防洪工程现状

芜湖城市中心城区位于长江和青弋江(系长江一级支流)交汇处，青弋江将中心城区城市防洪工程分隔成城北、城南两个防洪片区。1949年以前，芜湖市没有真正意义上的城市防洪堤防，正常水位年，通过在防洪堤防上加设临时子埂度汛。若逢汛期大水年，都是水进人退，灾民集中在市区高地和山岗上避难。1949年后，由于地方财力有限，城市防洪堤防标准低(主要表现为“矮、窄、险”)，无防汛通道，每逢汛期险象环生。

20纪90年代初，在国家、省、市三级财政支持下，芜湖市启动了城市防洪工程全面达标建设，设计标准为防御长江1954年型特大洪水。南北两个防洪堤圈土堤段均按国家Ⅰ、Ⅱ级土堤标准进行达标建设，唯有位于中心城区青弋江入长江口长约13.5km的南北两岸堤段受城市建成区已建建筑物和城市设施限制，防洪堤防无法向背水侧城区大幅度内退而被改造成倒“T”形钢筋混凝土防洪墙，从而造成防洪墙迎水侧岸坡只能在原有高陡的岸坡上进行砌护和修整。由于防洪墙改建工程段城市地坪高程11.5m左右，青弋江河底高程-0.5m左右，形成高差12m左右、坡比1 ∶2左右的迎水侧土坡，加上年水位变化高差达7～10m，造成每年汛后退水期迎水侧岸坡时常发生塌滑现象，直接影响防洪墙基础的稳定。

4 迎水侧岸坡滑坡原因分析

根据地质勘察资料，堤身及堤基土层特征如下:ⓐ杂填土层，杂色，成分复杂，呈中密状态，层底标高约-3.00～1.00m，层厚9～11m；ⓑ重粉质壤土、粉质黏土层，灰色～青灰色，呈流塑状态，局部夹粉土、粉细砂及软塑粉质黏土，层底标高约-3.50～-4.50m，层厚约2～4m；ⓒ中、重粉质黏土层，长江冲积形成的地层，黄灰～灰黄色，呈硬塑状态，局部呈坚硬状态，局部为黏土。采用瑞典圆弧法和毕肖普法对迎水侧岸坡进行抗滑稳定分析计算，结果岸坡抗滑稳定安全系数仅1.02左右，岸坡稳定处于临界状态。

经分析，认为迎水侧岸坡滑动主要有以下三方面原因：

a.堤身堤基含淤泥质杂填土，土层厚且向外坡下倾，不利于边坡稳定。

b.本流域雨水较多，城区地下水补给充足，地下水水位较高，而长江干流枯水期芜湖段水位较低，现状外坡坡面无排水设施，城区地下水不能及时顺畅排出，增大了坡体内渗透压力，降低了土层尤其是淤泥质杂填土层的抗剪强度和抗滑能力。

c.迎水坡垂直高度达12m，而坡比较小，抗滑稳定系数处于临界状态，易产生坡体滑动。

5 岸坡治理方案的拟定

为有效治理较大水位落差导致的防洪岸坡退水期塌滑问题，经多次分析和探讨后，形成了以下两种岸坡治理方案：方案一是在迎水侧岸坡护砌下部加强导渗，加固护坡底护脚平台；方案二是紧贴已建防洪墙基础迎水侧或背水侧修建防渗墙。

方案一采用导渗加坡底固脚方式，降低防洪墙基础下土体浸润线的高度，增强迎水侧岸坡土体抗滑能力。但由于城市岸坡土体大多属于多年层叠的杂填土，地质情况复杂多变，坡面出渗点位置忽上忽下，出水量也大小不一，导渗沟系难以导出全部外渗地下水，致使岸坡塌滑现象不能彻底消除。

方案二对阻断城市地下水外渗效果直接，但也彻底改变了堤防浸润线形态，大幅抬高了防洪墙基础处的地下水位，使得防洪墙及迎水侧土体在枯水期要抵抗更大的水头压力，这对防洪墙整体稳定不利。另外，顺着防洪墙修建的防渗墙破坏了防洪墙基础下土体的整体性，也不利于防洪墙整体稳定。

通过两方案比选，从偏安全角度考虑，决定采用方案一导渗加坡底固脚方式对岸坡进行整治。

6 岸坡固脚工程措施

6.1 加固工程措施比选

岸坡整治常采取的加固工程措施主要有削坡增加坡比、增设坡底压脚平台、打抗滑桩阻滑等方式。由于城市土地寸土寸金，加上防洪墙背水侧是十分拥挤的城市道路、城市建筑和市政设施，采取防洪墙退建后削坡增加坡比来达到岸坡稳定几乎是不可能的。不稳定岸坡位于长江一级支流青弋江南北两岸，在没有防洪规划控制之前，城市建设与水争地，造成青弋江入长江口城市段河道行洪断面已显不足，如采取增设坡底一定宽度压脚平台，通过压脚平台反压岸坡来增加岸坡稳定性的措施，需要占用河道的行洪断面，增加了城市防洪压力，显然也不具有可行性。采取削坡增加坡比、增设坡底压脚平台的岸坡加固方式，都要改变现有的河道断面，挖填会产生大量的土石方，将对多年形成的河道水生态和水环境带来不利的影响。如通过在坡脚位置打抗滑桩阻滑来增加坡面的稳定性，能保持现状坡面不变，不影响河道行洪，施工时扰动面小，对河道水生态和水环境影响也较小。因此，通过比选采用打抗滑桩阻滑工程措施，对岸坡进行加固处理。

6.2 抗滑桩型式比选

采用抗滑桩对岸坡滑动进行处理要求抗滑桩有足够的长度，能击穿滑动面进入持力层一定的深度，同时抗滑桩自身要具有足够的抗剪强度，确保通过持力层产生足够的抗力，阻止滑动体继续下滑。常采用的抗滑桩有木桩、预制钢筋混凝土桩、钻孔灌注桩等。采用木桩和预制钢筋混凝土桩都需要采用打桩机具，为便于打桩，桩径不能过大。由于需加固治理的岸坡稳定处于临界状态，打桩机具自身的重载、打桩锤击产生的强烈振动，以及桩打入土体对周边土体的挤压等，都对岸坡稳定极为不利。

而钻孔灌注桩具有如下优点:ⓐ机小、重量轻、设备简单，狭窄操作面也可使用，可以靠近已有建筑物施工，基本不受交通条件限制；ⓑ工艺技术成熟,操作简单、安全，质量易于掌握和控制；ⓒ噪声低、振动小，对周围环境的污染小，适合城市内施工；ⓓ对复杂地质条件适应性强。采用钻孔灌注桩可以克服施工工具自身重载和振动强烈的问题，同时桩径可以适当加大，桩长也可以根据地质情况适当调整，桩的抗剪和抗弯能力也优于木桩和预制钢筋混凝土桩。因此，通过比选决定采用钻孔灌注桩。

7 设计方案的探索及优化

出现较频繁滑坡的岸坡主要集中在花津桥(对应堤防桩号1+428)上下游堤段。1998年长江发生大洪水，汛后枯水期，青弋江北岸花津桥下游堤段(对应桩号1+673～1+908)堤防迎水坡出现较大范围的失稳滑坍，滑坡段东西向长度达235m，在高程8.0～11.7m之间产生两道张拉裂缝，上部裂缝距高程11.5m的防洪墙迎水侧平台仅0.5m，最大错深达0.7m。

按照方案二确定的思路，对其实施整治加固。沿高程6.5m外护坡坡底护脚平台处布置了28根混凝土钻孔灌注桩抗滑及滤料桩导渗，混凝土钻孔灌注桩桩长5～6m，桩径1m，孔距12m，孔距中部设置一排滤水井孔。整治方案实施后，滑坡得到了缓解。随后紧临整治加固段上游桩号1+608～1+658段的外坡上又出现了长50m的裂缝，最大裂缝宽度为0.2m，说明坡体仍未最终稳定。

分析认为主要有以下几方面原因：一是钻孔灌注桩桩距过大，不能形成有效的土拱效应；二是桩长不足，不能形成足够的抗滑能力；三是单排桩独立受力，不能发挥整体抗滑力。之后对方案进行优化设计，最终采取钻孔灌注桩综合整治方案。

7.1 钻孔灌注桩布置

C25钢筋混凝土钻孔灌注桩阻滑方案具体如下：钻孔灌注桩桩点位呈梅花形布置两排，桩径1.1m，桩顶高程6.0m，桩底高程-7.5m，顺堤向的桩中心距4.5m，垂直堤向的桩中心距2.6m，桩与桩之间在顶部采用0.7m×1.0m(宽×高)联系梁连接。

7.2 护坡及排水

将现状浆砌石护坡拆除，在高程11.5～8.0m间采用厚0.12m的自锁式C20混凝土预制块(开条形孔洞，播种草籽)护砌，在高程8.0～6.0m间采用厚0.12m的自锁式C20混凝土预制块(加条形糙条)护砌。护坡坡面下设置纵横向反滤排水沟，顺水流向在8.0m、6.0m高程设置两道，顺坡向每间距10m设置一道，排水沟深0.5m、底宽0.3m、边坡1 ∶0.3，并在6.0m高程顺水流向排水沟内间隔2.0m埋设φ80PVC排水管，将集水引出坡面直排入江。

7.3 抛石固脚

水下抛石主要抛在高程6.0m以下至江底的坡脚范围内，抛护厚度0.3～0.5m，利用拆除的浆砌石护坡块石作为抛石石料。为避免抛石不均匀，抛石后应适当进行人工整理。

钻孔灌注桩抗滑结构布置见图1，钻孔灌注桩及坡面排水平面布置见图2。

图1 钻孔灌注桩抗滑结构布置 [高程单位(吴淞高程系)：m，尺寸单位：mm]

图2 钻孔灌注桩及坡面排水平面图 [高程单位(吴淞高程系)：m，尺寸单位：mm]

采用上述方案对花津桥滑坡段(芜当江堤桩号1+608～1+658段及1+673～1+908段)285m长度进行了治理，治理后多年来工程运行稳定性良好。

8 钻孔灌注桩在城市防洪高陡岸坡堤防中的应用

自花津桥滑坡段采用钻孔灌注桩阻滑、在坡面设置完善的排水系统和抛石固脚等工程措施进行综合治理后，又陆续对产生滑坡的其余堤段按同样方案进行了整治。经过钻孔灌注桩综合整治方案治理的既往滑坡段在多年运行后一切正常，岸坡稳定，未再出现滑动现象，治理后效果明显。自2013年起芜湖市对中心城区防洪墙段开始进行景观化改造。结合景观化改造工程，对芜湖市中心城区防洪墙段不稳定的岸坡，同样采用钻孔灌注桩综合整治方案进行岸坡整治，整治岸坡长约2.3km，整治后岸坡稳定，效果良好。

2014年，芜申运河芜湖段开工建设。为保证芜申运河有足够的航道宽度，需要对青弋江南岸城区段防洪墙进行背水侧后退建设。由于受城市已建设施影响，防洪墙后退空间受限，后退后防洪墙迎水侧土坡坡比仅为1 ∶2。该工程于2016年上半年完工，2016年主汛期经历高水位后，在退水期出现了长约150m的岸坡滑移。为减缓滑动面的发展，采取了应急处置方案：将防洪墙背水侧墙底板以上的10m宽土体挖除减载；在迎水坡模袋混凝土护坡表面开槽排水，并设置反滤层，降低土体地下水压力；坡面采用抛石压重，避免滑动体进一步扩大。2017年初，青弋江进入枯水期，按照钻孔灌注桩综合整治方案，对已滑移段及可能滑移段约2.2km长岸坡的迎水侧土坡进行整治加固，工程于2019年完成，至今未发现失稳等异常现象。

9 结 语

由于钻孔灌注桩具有施工机具简单、施工占地小、施工噪声振动小、对交通配套要求少、成桩耐久性好、对复杂的地质适应能力强、承载力和抗弯能力较强等优点，在芜湖市中心城区城市防洪高陡岸坡的堤防岸坡加固整治中应用钻孔灌注桩综合整治方案效果显著。在岸坡整治过程中，未诱发岸坡失稳，未对城市环境和交通带来影响，对城市河道水生态和水环境影响甚微。

在中心城区内青弋江两岸不稳定岸坡处实施钻孔灌注桩综合整治方案后，岸坡稳定，运行良好，未发现失稳坍滑现象，进一步说明采用钻孔灌注桩对高陡不稳定岸坡进行加固可增强坡脚基础的稳定性，是解决不稳定防洪堤防及岸坡的一种很好的方法，在堤防加固工程中有着广阔的应用前景。