钻孔灌注桩在堤防抗滑稳定中的应用

高 坤，夏世飞，花 卉，费晓磊，崔 阳，刘 彬，杨乐天

(1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001；2.南京市高淳水务局砖墙水务站，江苏 南京 210000)

近年来，随着我国水利事业的蓬勃发展，抗滑桩在堤防抗滑稳定中的应用越来越来广泛。本文结合水碧桥河入固城湖河口处右岸堤防现状情况，分析了削坡放缓边坡及背水坡增设戗台压重等加固措施无法实施的原因，通过计算分析钻孔灌注桩相关变量对堤防抗滑稳定的影响，最终确定最优的加固方案。

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

水碧桥河属水阳江水系，是水阳江与固城湖进行水量交换的重要通道，同时也是安徽和江苏省的分界河流，承担着超标准洪水时向固城湖分洪的重要作用。水碧桥河呈东西走向，起于水阳江干流在水阳镇处的一分支，终于固城湖西南端，连接水阳江和固城湖。本次工程位于高淳区砖墙镇水碧桥河沿线，包括新保圩、和尚圩、及保胜圩堤防，工程主要建设内容为堤防防渗处理、堤防加固等。

1.2 工程地质条件

根据钻探及室内岩土试验资料，按其物理力学性质、岩性、成因等不同，拟建场地勘探深度27.00m以内分为2个工程地质层，6个工程地质亚层。堤身主要为①-2素填土层，稍密，不均匀；堤基土为粉质黏土，其中②-1粉质黏土层，软塑，局部流塑，高压缩性，中等强度，②-2淤泥质粉质黏土层，流塑，高压缩性，低强度，层厚2.4～9.30m，②-3粉质黏土层，可塑，局部夹粉砂，中等压缩性，中等强度，②-4粉质黏土层，可塑，中等压缩性，中等强度。

主要土层物理力学指标见表1。

表1 土层物理力学指标

2 现状堤防稳定分析

本文选取新保圩堤防(水碧桥河入固城湖河口处右岸堤防)断面进行计算，断面如图1所示。现状堤顶宽约4.0m，迎背水坡坡比约1∶2.0，堤顶高程14.50m，河底高程约5.70m，背水坡地面高程约6.70m，距离现状堤脚约8.0m处为新保圩圩区排涝泵站进水河，河口宽约14.0m，河底高程约4.70m。

图1 现状计算断面

本工程堤防级别为3级，根据规范[1]堤防抗滑稳定计算采用瑞典圆弧法[2-3]，采用河海大学水工有限元分析软件AutoBbank计算，计算采用2种工况，见表2。

表2 计算工况 单位：m

采用瑞典圆弧法，工况一，背水坡抗滑稳定系数为1.02，工况二，迎水坡抗滑稳定安全系数为1.24。工况一背水坡抗滑稳定系数不满足规范规定K≥1.2的要求，经分析，认为主要有以下3方面原因：①堤基存在较厚的淤泥质粉质黏土层，土层的抗剪能力弱，不利于堤防稳定；②堤身高度较高约8.0m，下滑力较大；③背水坡坡脚外存在进水河沟，坡脚压重减小，抗滑能力降低。现状背水坡稳定处于临界状态，易产生滑坡失稳险情，所以需要进行堤防加固处理。

3 堤防加固方案比选

3.1 加固工程措施比选

堤防加固设计中，经常采用削坡放缓边坡、背水坡增设戗台压重、打抗滑桩阻滑等加固措施[4]。①现状堤防迎水坡坡比已经达到1∶2.0，削坡放缓边坡可以增加堤防稳定，但会导致堤身占地变大，现状堤防背水坡紧邻排涝泵站进水河，无法实现。②背水坡增设戗台也是很好的阻滑措施，但背水坡现状为排涝站进水河，需填河，另要新开排涝站进水河，占用基本农田，矛盾较大无法实施。采取削坡增加坡比、背水坡增设戗台压重都需要加大堤身断面，增加占地，对堤后圩区现状形成的排涝水系造成影响，不利于防洪排涝安全。

如通过在坡脚位置打抗滑桩来增加坡面的稳定性，能保持现状堤身占地不变，不影响背水坡排涝站进水河，施工时扰动面小，减少滑动不利因素。

所以本工程入湖口段堤防加固采用抗滑桩阻滑措施对堤防进行加固处理。

3.2 抗滑桩型式比选

抗滑桩是一种侧向受荷桩，在滑坡推力作用下，它可以调动远超过桩体宽范围的地层与之共同抗滑，使加固地层的抗力得到发挥[5-6]。抗滑桩需要具备桩身长、强度高、施工机具轻便等特点，桩身足够长可以穿过滑动面进入持力层增加抗滑力，强度高防止自身被剪断确保抗滑力充分发挥，施工机具轻便减少施工时扰动，防止施工期失稳。

抗滑桩作为加固滑坡体的一种有效措施已被广泛应用[7-8]，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，为了便于打桩，桩径均不能过大，打桩机具较大需要便捷的进场交通。工程段现状堤顶道路宽约3.0m，大型打桩机具无法进场；根据上文计算，工况一堤防背水坡稳定处于临界状态，打桩机具自身压重、锤击产生振动，桩身对周围土体的挤压隆起等，都对堤防边坡造成不利影响。

钻孔灌注桩具有如下优点：①施工工艺成熟，操作简单、安全，施工质量有保障。②施工机具小、重量轻，受场地限制小，基本不受交通条件限制。③噪声低、振动小、对周围环境影响小。④可以适应各种地质条件。采用钻孔灌注桩克服了施工机具重载和振动的问题，桩长、桩径不受机具限制可以根据实际需要确定，灌注桩的抗剪、抗弯能力比木桩和预制钢筋混土桩要强。通过比选本工程抗滑桩采用钻孔灌注桩。

4 抗滑桩设计及优化

采用单一变量法分别就桩位、桩径、桩长、桩间距进行计算分析。

4.1 抗滑桩桩位的确定

初步确定桩的布置方案：桩间距0.7m，桩径0.6m，桩长9.0m。分别把抗滑桩布置在坡脚、背水坡平台、背水坡坡中、坡顶4个位置，距离堤顶路面中心线距离分别为4.0、10.0、17.0、23.5m，桩位布置如图2所示。

图2 设计断面抗滑桩布置

采用有限元分析软件，分别对设计洪水位及洪水位降落期进行计算，安全系数系数与桩位曲线如图3所示。

图3 安全系数随桩位变化曲线

由图3可知，抗滑桩布置在背水坡各处，安全系数均为1.24，对于迎水坡的安全系数没有影响。抗滑桩布置在坡顶与坡中位置时，安全系数为1.02与现状一致，对于背水坡安全系数没有影响；当抗滑桩布置在背水坡平台处(17.0m)安全系数为1.44达到峰值，抗滑桩布置在背水坡坡脚处安全系数为1.14，不满足规范规定K≥1.2的要求，故抗滑桩布置在背水坡平台处对背水坡抗滑效果最好。

背水坡打桩对迎水坡抗滑安全系数没有影响，下文仅研究桩相关参数对背水坡安全系数的影响。

4.2 抗滑桩桩径的确定

在确定抗滑桩布置在背水坡平台的基础上进行桩径优化，初定桩间距0.7m，桩长9.0m。分析桩径分别为0.3～0.7m，每级差0.1m。经建模计算，安全系数随桩径变化曲线如图4所示。

图4 安全系数随桩径变化曲线

根据安全系数与桩径变化曲线图，可知桩径为0.3m时，背水坡安全系数为1.13，不满足规范要求，桩径0.4～0.7m时安全系数均大于1.2，满足规范要求，考虑抗滑桩施工时孔位偏差及常规桩径等因素，确定抗滑桩桩径取0.6m。

4.3 抗滑桩桩长的确定

根据4.1、4.2节，抗滑桩布置在背水坡平台，桩径取0.6m，初定桩间距0.7m。分析桩长分别为5～15m，每级差2m。经建模计算，安全系数随桩长变化曲线如图5所示。

图5 安全系数随桩长变化曲线

根据安全系数与桩长变化曲线图，可知桩长为5、7m时，背水坡抗滑安全系数为1.02与现状稳定系数一致，抗滑桩未起到抗滑作用，此时桩身全部位于②-2淤泥质粉质黏土层。当桩长为9.0～15.0m时，背水坡抗滑安全系数为1.44维持不变，此时桩尖已打入②-4粉质黏土层，随着桩长的增加，安全系数不再增加，所以确定桩长为9.0m。

4.4 抗滑桩间距的确定

根据4.1～4.3节，确定抗滑桩布置在背水坡平台，桩径取0.6m，桩长取9.0m。分析桩间距分别为0.7～1.7m，每级差0.2m。经建模计算，安全系数随桩间距变化曲线如图6所示。

图6 安全系数随桩间距变化曲线图

根据安全系数与桩间距变化曲线图，安全系数随桩间距加大而减小，当桩间距小于1.7m时，抗滑安全系数均大于1.2，满足规范要求，当桩间距大于1.7m时，抗滑安全系数均小于1.2，不满足规范要求。钻孔灌注桩桩间距过大，不能形成有效的土拱效应[9-10]，抗滑安全系数降低，确定桩间距为1.5m。

4.5 抗滑桩方案确定及优化思路

根据4.1～4.4节计算分析，最终确定新保圩堤防(水碧桥河入固城湖河口处右岸堤防)采用抗滑桩加固处理，抗滑桩布置在堤防背水坡平台，桩径0.6m，桩长9.0m，桩间距1.5m，抗滑稳定安全系数为1.22。抗滑稳定计算如图7所示。

图7 抗滑稳定计算

图8 钻孔灌注桩现场施工

结合以上工程案例计算可总结出今后类似抗滑桩加固堤防设计优化步骤如下。

(1)对现状堤防岸坡进行抗滑稳定计算，根据堤防级别，对应判断抗滑稳定安全系数计算值是否大于规范允许值，当小于规范允许值，进行堤防加固处理。

(2)抗滑桩优先布置在堤防背水坡，桩径优选选用直径0.6m，根据地勘资料，桩长以桩端全断面进入好土层不小于2倍桩径控制，试算桩间距，使计算安全系数满足规范要求。

(3)若抗滑安全系数无法满足规范要求，增加桩长或桩径确保堤防抗滑稳定满足要求。

(4)若上述方案已经满足规范要求，可以对方案进行优化，改变桩间距、桩长及桩径，使得所用材料最省，最经济。

5 结语

新保圩钻孔灌注桩自2022年3月施工至今运行状况良好，在汛期，对治理段进行了检查和观测，坡面未发现滑坡，也没有明显的位移，说明采用钻孔灌注桩加固处理安全可靠。

本文以实际工程为例，分析了钻孔灌注桩具有抗滑性能好、承载力大、施工方便、适应性强、耐久性好等优点，可以避免空间和施工条件限制的难题。从灌注桩的桩位、桩径、桩长及桩间距等因素进行计算分析[11-13]，提供了钻孔灌注桩抗滑设计的设计思路和计算方法，最终确定最优的加固方案，对同行具有一定的参考价值。本文也存在一些不足，未对多排桩的加固方案进行分析，建议同行可以对此方面研究，更好地优化加固设计方案。