湖区灌区渠堤波浪桩支护的设计及优化研究

彭 志，何贤骏，刘政宏，邓瑾晖

(汉寿县西湖灌区管理局，湖南 常德 415990)

0 引言

由于湖区堤垸内的平坦地势，为了实现自流灌溉，需要在高出地面的渠道上修建渠堤。渠堤的正常运行至关重要，不仅保障灌区的灌溉和排涝需求，也确保了垸区居民的生命财产安全。然而由于常年的水流淘刷，渠提提坡通常在堤脚位置形成陡坎，从而导致提坡的失稳崩塌，威胁到渠堤的安全运行。因此，对于渠堤堤坡采取防护措施是非常必要的。

目前，常见的渠堤支护形式有浆砌石或混凝土重力式挡土墙、抛石支护和宾格阻脚等。本文所涉及的波浪桩是一种截面呈半圆鼓形的新型预应力混凝土构件，属于抗滑桩的一种。波浪桩常用于水利护坡护岸、景观河道改造、航道支护等工程，具有环保、节能、绿色、耐久等多种优点。由于波浪桩具有可提前预制、强度高、施工方便、效率高，质量可控性较强等特点，对湖区灌区的淤泥质地基适应性较强，可以通过不同的平面组合布置，沿水流方向首尾相接，可以做成M型或S型，构造出各式各样的造型以满足水景观的设计要求[1-4]。

目前国内针对波浪桩的研究及应用主要有以下几个方面：刘永利采用波浪桩在沂河北岛生态安全修复工程采用M型构件进行施工，得到了良好的应用[5]；郭英针对黑龙江极寒地质条件以黑龙江干流堤防工程为实际背景，采用波浪桩的钻孔和沉桩设备进行选型，选定长螺旋钻机和高频振动锤这个最优方案，完美解决了断桩和沉桩不足等问题，为黑龙江寒地条件同类工程提供借鉴[6]；王静以上海市朱家角华为人才公寓配套河道治理工程为应用背景，通过施工质量评定分析了波浪桩的优缺点，为波浪桩的应用提供明确的支撑[7]；闫彭彭以望江县幸福河流域某堤防工程对环境、投资等多方面进行分析，并对比重力式挡土墙等不同的方案，利用AutoBank软件对该条件下的工况进行稳定性分析，验证了波浪桩的安全可靠[8]；刘永利[5]和逄雅萍[9]分别在安全生态修复工程和孝妇河分洪河道治理工程，根据其项目的不同特点同样对施工工艺进行优化；袁肇彦[10]研究了广东台州市新昌水波浪桩，得到波浪桩在波浪荷载作用下位移呈非线性变化，先增大后减小，在地震荷载作用下加速度和位移都随之增大，振幅响应较大，能响应0.5～2.5g的加速度；王元战建立水体和桩基础相互作用的三维有限元模型，运用改进的进Morison波浪力计算公式进行了验证。给出了考虑耦合效应的波浪力放大系数图表，提出了简化计算方法[11]。已有的研究大多数主要针对波浪桩在实际工程中的应用效果分析评价或者简单运用有限元对工况进行稳定性分析或者是对打桩过程中应力等因素进行分析，缺乏对波浪桩应用工艺总结和利用有限元软件对桩的稳定性和弯矩、变形等参数，并根据不同的工况得到不同设计尺寸等进行研究[12-19]。

本文借鉴国内波浪桩支护方案的研究经验，以汉寿县西湖灌区干渠治理工程为依托，综合考虑项目区实际工程地质条件、施工条件及工程投资等因素，选取波浪桩作为西湖灌区干渠渠堤支护措施，并采用极限平衡法在考虑不同设计桩长下对渠堤堤坡抗滑稳定性的影响进行计算和分析，根据计算结果优化波浪桩支护方案，以期为同类型的渠堤整治工程设计提供参考。

1 渠堤边坡支护方案比选

西湖灌区主要是通过涵闸穿堤建筑物等与外河连通的水利工程调节水量、控制水位，实现灌排两用，是一个以灌排为主，提引结合的圩垸型大型灌区。由于西湖灌区干渠工程所处地层的孔隙水相对较丰富，主要处于粘性土等不良地段，因此渠堤塌岸和坍塌等险情时有发生。针对本工程项目特点，考虑以下3种支护方案进行比选：

(1)方案1：刚性挡墙支护。优点：刚性挡墙支护具备出色的抗冲刷性和耐久性，并且易于施工。缺点：刚性挡墙支护的基础变形适应能力不足，环保性也存在问题。由于施工时需要建造围堰，且施工技术要求较高，因此施工条件比较苛刻，而且还需要大量块石。

(2)方案2：柔性挡墙支护。优点：环保性能好，适应基础变形能力强。缺点：耐久性不够强，稳定性一般，同时面对变形的能力较差，不能很好地保持外形边界，且施工时需要修筑围堰。

(3)方案3：抗滑桩支护。优点：施工时不需要修筑围堰，可常年施工，具有出色的耐久性和防冲刷效果。缺点：由于施工需要专业团队和专用机械工具，因此施工场地要求比较高，只适用于土质地基，岩基或质地较硬的土层无法施工。综合考虑项目区实际工程地质条件、施工条件和工程投资等多方面因素，设计采用M型波浪桩作为西湖灌区干渠渠堤的支护措施，如图1所示。

图1 波浪桩平面布置形式(M型)

2 渠堤稳定性分析

2.1 渠堤稳定性分析计算模型

本次分析的典型断面选取总干坡头泵站段左岸渠堤断面，如图2所示。该段渠堤建筑物级别为3级，堤顶高程31.00m，堤顶宽度4m，内坡坡比为1∶2.0，外坡坡比为1∶2.5，堤坡已采用草皮护坡，内坡坡脚受水流淘刷严重，已形成陡坎。该段渠堤堤身为人工素填土，堤基为多层结构，由粉质粘土、粉细砂、砂砾石、全风化泥灰岩构成，各地层主要物理力学性质指标见表1。

表1 西湖灌区总干坡头泵站段渠堤各地层主要物理力学性质指标

图2 波浪桩支护典型横断面设计图

根据地质勘探的结果，按照现场所取原状样的室内土工试验及现场注水试验结果，综合渠堤建设和运行管理情况，将渠堤计算断面分别划分为5个分区，几何单元采用6节点三角形单元划分模型网格，如图3所示为渠堤横断面的分区和网格划分。

图3 渠堤稳定计算分区

2.2 堤坡稳定的极限平衡法

极限平衡法是根据斜坡上的滑体或滑块的力学平衡原理(即静力平衡原理)分析斜坡各种破坏模式下的受力状态，以及斜坡上的抗滑力与下滑力之间的关系来评价斜坡的稳定性。

由于其力学模型简单，故已应用于大量的工程实践中，积累了丰富的实际经验，而且有规范的指导。目前是占主导地位的一种分析方法，但由于该方法没有考虑到土体的应力-应变性质，不能求出失稳时土体内部各处的应力和应变，所求得的安全系数也只能反映已假定滑面(包括位置和形式)上的大小，并不能反映土坡的破坏机理。所以，采用这种方法求出的是一种综合性近似解答。

2.3 不同设计桩长对渠堤稳定性影响分析

为研究不同设计桩长对渠堤内坡抗滑稳定性的影响，通过有限元计算软件计算求出未支护前渠堤堤坡潜在滑动面位置，在考虑波浪桩悬臂段长度均为1m的情况下，分别采用2、3、4、5、6、7、8m共计7种设计桩长，对应桩底嵌入潜在滑动面的深度分别为0、0、1、2、3、4、5m。各计算工况的水位边界条件均为渠道最高运行水位32.00m降落至最低运行水位28.00m，降落时间为3d。各计算工况下的堤坡抗滑稳定系数见表2、如图4所示。

表2 不同设计桩长下的堤坡抗滑稳定安全系数计算结果

图4 堤坡抗滑稳定安全系数与设计桩长的关系

综合分析以上计算结果，可以看出：

(1)渠堤堤坡的抗滑稳定安全系数随着波浪桩设计桩长的增大而持续升高，表明采取波浪桩支护方案可以有效提高渠堤的稳定性。

(2)当波浪桩桩底未嵌入堤坡潜在滑动面时，随着设计桩长的增大，堤坡抗滑稳定安全系数的增幅不明显；当波浪桩桩底嵌入堤坡潜在滑动面后，桩身利用滑动面下伏稳定地层岩土的锚固作用可对滑动体提供水平支撑力，堤坡抗滑稳定安全系数出现明显升高；当桩底嵌入潜在滑动面的深度与设计桩长之比达到0.40时，堤坡抗滑稳定安全系数即可满足规范要求(K≥1.20)；当桩底嵌入潜在滑动面的深度与设计桩长之比大于0.40后，堤坡抗滑稳定安全系数的增幅减小，继续增加设计桩长对提高渠堤稳定性的意义不大。

3 结语

波浪桩是一种截面呈半圆鼓形的新型预应力混凝土构件，属于抗滑桩的一种，适用于水利护岸护坡、景观河道改造、航道支护等工程，具有环保、节能、绿色、耐久等多种优点。本文采用波浪桩作为汉寿县西湖灌区干渠渠堤支护措施，并根据渠堤堤坡抗滑稳定性计算成果，优化了支护方案，可为同类型渠堤整治工程提供了有益的参考和指导。

本文重点研究了波浪桩支护方案对渠堤堤坡抗滑稳定性的影响，但未深入探讨波浪桩支护方案设计和施工过程中所涉及的技术性问题。因此，未来应更加关注波浪桩支护结构设计与施工关键技术等方面的研究，充分掌握其优化与完善的方法，以提高其在不同工程实践中的应用效果。