深厚軟基河道岸坡生態治理方案研究

李逸之，孫凌凱，吳從林，柯啟龍

摘要：為解決深厚軟基河道岸坡整治中的安全性與生態性、景觀性難以兼顧的問題，達到人水和諧的生態治河要求，以湖北省鄂州市長港河旭東村段為研究對象，提出了集安全性、生態性、觀賞性于一體的“親水平臺+生態框+植生塊護坡+水生植物”護岸形式以及預應力管樁加固地基的岸坡綜合整治方案。采用AutoBank 7.7軟件計算不同樁長的軟基加固方案在不同工況條件下的河岸穩定安全系數，并分析了樁長與河岸穩定之間的關系。結果表明：用于加固地基的管樁樁長變化對于岸坡的穩定影響較大，在樁長達到臨界長度之前，岸坡的安全系數逐漸增大，當樁長達到一定程度后，安全系數不再隨樁長的增加而增加。該方案治理效果良好，可為類似工程提供一定參考。

關鍵詞：深厚軟基； 河道岸坡； 生態治理； 鄂州市

中圖法分類號：TVl39.14文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.011

文章編號：1006-0081（2023）09-0068-06

0引言

生態文明理念已深入人心，以硬質護岸為主的傳統護岸形式隔絕了水體、土體和生物之間的有機聯系，使河道生態系統遭到破壞，已不能適應新時期的治水要求［1-3］。以往的治理思路需轉變，要在確保河道安全穩定的前提條件下，將生態工程學原理融于河道岸坡治理中，讓河岸生態系統的內部關系變得協調［4-5］，以達到恢復河岸生態環境和提升河岸景觀的目的。

對于河道岸坡深厚軟基的加固處理，通常采用水泥土攪拌樁、預應力鋼筋混凝土管樁、塊石換填、拋石擠淤等處理方案［6-8］。由于預應力管樁具有耐久性好、造價低、承載力高以及施工效率高等優點，在軟土地基處理中得到了廣泛應用。目前已有大量研究證明了預應力管樁技術的可行性：Dai等［9］對不同工況下的PC管樁進行了承載性能的數值模擬，得到了相應工況下管樁的應力-應變規律；周小鵬等［10-11］利用ABAQUS有限元模擬了管樁沉樁的過程，驗證了管樁在固結效率方面優于普通樁。黃勇等［12］通過模型試驗，探究了透水管樁樁周土超靜孔壓隨時間、空間的變化規律。吳燕開等［13］結合實際工程對預應力管樁加固軟土地基的效果進行驗證和分析，證明該方法適用于工期緊、軟基深厚的地基；謝新宇等［14］結合某工程現場試驗和施工過程樁土應力現場監測，研究了該類復合地基樁、土應力和孔壓力的發展規律。然而，上述對預制管樁的研究中并未提及管樁在河道岸坡深厚軟土地基加固中的應用及研究。

本文以湖北省鄂州市長港河旭東村段河道岸坡整治為例，通過比選提出了采用預應力管樁加固深厚軟土地基以及采用“親水平臺+生態框+植生塊+水生植物”的岸坡生態治理形式，并對預應力樁河道岸坡軟基加固方案進行研究，通過計算不同樁長在不同工況下的岸坡穩定安全系數來確定設計樁長。

1工程概況

1.1工程簡介

長港河位于湖北省鄂州市中部，是梁子湖湖水排入長江的唯一通道。梁子湖湖水經東溝鎮磨刀磯節制閘進入長港河，途中流經梁子鎮、東溝鎮、長港鎮、杜山鎮、鄂州經濟開發區，過樊口大閘或樊口泵站至洲尾入長江，自南向北橫穿鄂州市，干流全長46.5 km。

長港河旭東村河段（左岸K15+260～K14+700，長560 m），沿岸居民集中，河岸為土質邊坡，坡面雜亂，生態景觀面貌差，且岸坡較陡，部分岸段已出現坍塌跡象，危及沿岸道路、房屋安全，亟待加固治理。經相關部門安排，該段河道內整治于2019年納入“鄂州市長港河系統治理工程”實施中。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級。長港河旭東村河段現狀照片見圖1。

1.2工程地質

長港河旭東村河段河寬約70～80 m，現狀岸坡形態不規整，坡高11.0～13.0 m?？碧浇沂驹摱魏拥腊镀轮饕植加腥劳?、淤泥質土、黏土、黏性土等4個土層，各層簡要描述如下。

（1） 壤土（Q4al+l）：灰褐色，含有機質，呈可塑狀，黏性較好，層厚1.5～5.9 m。

（2） 淤泥質土（Q4al+l）：青灰、軟-可塑狀，黏性較強，層厚0～2.5 m。

（3） 黏土（Q4al+l）：灰褐色，可塑，黏性強，層厚2.80～7.50 m。

（4） 黏性土（Q2al）：黃褐色，飽和，黏性強，層厚7.3 m以上。

樁號K15+000處地質剖面圖見圖2，各土層參數試驗統計建議值見表1。

2河道岸坡生態整治方案設計

根據長港河旭東村段河道岸坡現狀地形及地質情況，可將該段河道岸坡生態整治方案設計分為護岸工程設計以及坡腳以下軟土地基加固處理工程設計兩個部分。

2.1護岸工程方案設計

根據旭東村段河道岸坡地形地質情況，運用生態治理理念，并結合民眾親水休閑需求，初步選定3種護岸設計方案，分別為“親水平臺+生態框+植生塊護坡+水生植物”形式、“親水平臺+仰斜式混凝土擋墻+植生塊護坡+水生植物”形式以及“親水平臺+格賓石籠擋墻+植生塊護坡+水生植物”形式。3種護岸形式結構設計簡述如下。

（1） 方案一：“親水平臺+生態框+植生塊護坡+水生植物”形式。在現狀河灘處設置親水平臺，高程取常水位以上0.3 m，親水平臺凈寬2.0 m，親水平臺外側設置鋼筋混凝土腳槽，腳槽上設欄桿；親水平臺內側設5級生態框，呈階梯式布置，總高2.5 m，生態框內鋪設種植土，并種植濕生植物；墻底設鋼筋混凝土基礎，墻背回填級配碎石，并沿墻背鋪設土工布。

生態框頂與坡頂間采用植生塊護坡，結合現狀地形確定坡比?？亢觽仍诔Ｋ灰韵?.5 m范圍內種植水生植物，岸頂種植喬灌木，以改善沿河生態面貌?！坝H水平臺+生態框+植生塊護坡+水生植物”形式典型設計斷面見圖3。

（2） 方案二：“親水平臺+仰斜式混凝土擋墻+植生塊護坡+水生植物”形式。親水平臺、植生塊護坡、水生植物布置同方案一。坡腳以上設仰斜式混凝土擋墻，總高3.0 m，墻頂與坡頂間采用植生塊護坡，結合現狀地形確定坡比。

（3） 方案三：“親水平臺+格賓石籠擋墻+植生塊護坡+水生植物”形式。親水平臺、植生塊護坡、水生植物布置同方案一。坡腳以上設格賓石籠擋墻，總高3 m，墻頂與坡頂間采用草皮護坡，結合現狀地形確定坡比。

3種方案均具有可實施性。方案二中仰斜式混凝土擋墻強度大，但存在透水性差、對地基變形適應能力低、生態景觀效果差等缺點；方案三中的格賓石籠生態效果良好，但對填筑塊石粒徑要求高、施工工藝要求嚴格，施工成本較高；方案一中生態框施工簡便、對地基變形適應性好，生態景觀效果較好。

工程推薦采用方案一，即“親水平臺+生態框+植生塊護坡+水生植物”的治理形式。該方案中親水平臺采用透水鋪裝，岸坡采用高孔隙率生態框護砌，可供植物生長以及魚類棲息、繁衍，在保證岸坡穩定的同時也使水體、土體和生物之間保持有機聯系。此外，在岸頂種植喬灌木、沿親水平臺外側淺水區域種植水生植物，把潛水區域水生植物、濱水區濕生植物、岸坡植被以及岸頂喬灌木連成一體，構成一個水陸復合型生物共生的生態系統。

2.2軟土地基處理方案設計

2.2.1地基處理方案比選

長港河旭東村段河道岸坡地層存在淤泥質土層，層厚約6 m［15］，為確保岸坡穩定，需對該段岸坡進行地基處理。河岸軟土地基加固通常采用的方案有水泥攪拌樁、預應力鋼筋混凝土管樁（以下簡稱“預應力管樁”）、拋石擠淤等［6-8］。結合工程實際情況，對上述處理方案進行綜合比選，詳見表2。

綜上所述，與水泥攪拌樁和拋石擠淤方案相比，預應力管樁投資適中，施工方便、施工效率高，可大幅提高軟基強度，并具有較好的生態性，更適用于本工程的地基加固，故推薦采用預應力管樁加固方案。

2.2.2預應力管樁地基處理方案設計

2.2.2.1總體布置

結合相關工程運用經驗，擬在親水平臺下布置5排預應力管樁，單樁直徑0.3 m，樁中心間距1.2 m，梅花型布置，樁體抗壓強度標準值為45 MPa。樁長需根據岸坡穩定計算成果進一步確定。預應力管樁布置斷面見圖4。

2.2.2.2預應力管樁長度計算

根據GB 50286-2013《堤防工程設計規范》，河道岸坡穩定計算分析可采用簡化畢肖普法。結合河道水文資料，計算工況選取如下：

（1） 工況1（設計洪水位下的穩定滲流期）：設計洪水位16.53 m，岸坡地下水位14.30 m。

（2） 工況2（設計洪水驟降期）：48 h內從設計洪水位16.35 m驟降至14.35 m。

（3） 工況3（完建期）：迎水面無水，岸坡地下水位14.10 m。

本計算采用AutoBank 7.7軟件的有限元分析模塊對旭東村樁號K15+000處岸坡進行穩定分析計算，計算出采用不同長度的預應力管樁在不同工況下的岸坡穩定安全系數，為確定預應力管樁長度提供依據［15-18］。岸坡穩定計算成果見表3，安全系數與單樁長的關系見圖5。

預應力管樁加固岸坡后潛在危險滑動面位置及形狀見圖6～7。

從計算成果可知：① 滿足本工程安全所需的樁長至少為5 m（取整數），此時工況一、二、三的岸坡穩定安全系數F分別為1.57，1.47，1.69，均滿足規范要求；② 當樁長為3～8 m時，3種工況下岸坡穩定安全系數均隨樁長增加而增加，且3～6 m時安全系數的增加與樁長基本呈線性關系；③ 當樁長為3～8 m時，3種工況的岸坡潛在危險滑動面均從預應力管樁底部穿過，說明樁與周邊土體形成了較為牢固的復合地基，在復合地基內發生滑動破壞的可能性低；④ 當樁長≥9 m時，3種工況下岸坡潛在危險滑動面均從樁頂部穿過，安全系數不再隨樁長增加而增加。

3結論

（1） 通過對多種治理方案進行比選，提出了集安全性、生態性、觀賞性于一體的岸坡綜合整治方案，即采用“親水平臺+生態框+植生塊護坡+水生植物”護岸形式以及預應力管樁地基處理方案。該方案在保證河岸穩定的基礎上，改善了河道生態系統，并提升了河岸景觀，治理效果較好，可為類似工程提供參考。

（2） 通過計算不同樁長的地基加固方案對岸坡穩定性的影響可知：樁長的變化對于岸坡穩定影響較大，在樁長達到臨界長度之前，岸坡的安全系數與樁長基本呈線性關系；隨著樁長的增長，潛在滑動面隨著樁底端逐漸向岸坡內部移動，破壞模式由淺層滑動逐漸變為深層滑動，安全系數也逐漸增大；當樁長達到一定程度后，岸坡的潛在滑動面轉移到樁頂以上，安全系數不再隨樁長的增加而增加。

參考文獻：

［1］王壽兵，李百煉.中國中小河道生態治理與修復策略［J］．水資源保護，2018，34（4）：12-15.

［2］董哲仁．河流生態修復［M］．北京：中國水利水電出版社，2013．

［3］董哲仁，孫東亞，彭靜.河流生態修復理論技術及其應用［J］．水利水電技術，2009，40（1）：4-9，28．

［4］RADSPINNER R R，DIPLAS P，LIGHTBODY F，et al．River training and ecological enhancement potential using in-stream structures［J］.Joumal of Hydraulic Engineering，2010，136（12） ：967-980．

［5］武亞南，周連兄，李丹雄．城鄉河道生態治理與景觀修復——以河北省灤平縣牤牛河為例［J］．中國水土保持，2021，470（5）：17-20.

［6］黃東海．拋石擠淤技術在軟土地基圍堤工程中的應用［J］．水運工程，2012，473（12）：126-129，143.

［7］姚佳凱，王琛.拋石擠淤和塊石換填相結合在河道基礎處理中的實踐應用［J］．鄉村科技，2014（12）：287-289.

［8］馬海龍．水泥土攪拌樁復合地基荷載傳遞及變形的原位實驗研究［J］．土木工程學報，2006，39（9）：103-107.

［9］DAI Z X，ZHANG A，MEI G X.Finite Element Analysis of the experiment of PC Pipe Pile with holes carrying capacity［J］.Applied Mechanics & Materials，2014，578/579：53-59.

［10］周小鵬，梅國雄.透水樁技術及樁周土體固結效率有限元分析［J］.南京工業大學學報（自然科學版），2014，36（3）：101-105.

［11］周小鵬，梅國雄.考慮固結的透水管樁沉樁全過程有限元模擬［J］.巖土力學，2014，35（增2）：676-682.

［12］黃勇，王軍，梅國雄.透水管樁加速超靜孔壓消散的單樁模型試驗研究［J］.巖土力學，2016，37（10） ：2893-2898，2908.

［13］吳燕開，方磊，李新偉，等.預應力管樁聯合塑料排水板加固軟土地基技術探討［J］.巖石力學與工程學報，2006（增2）：3572-3576.

［14］謝新宇，陳洪波，夏建中，等.預制管樁-攪拌樁組合加固深厚軟基性狀分析［J］.建筑結構學報，2007（4）：123-127.

［15］謝輝，喻可忠．長江干堤護岸工程施工影響岸坡穩定因素分析［J］．人民長江，2006，37（9）：93-94，101．

［16］汪紅英，陳正兵．三峽工程運用后上荊江典型河段岸坡穩定性分析［J］．人民長江，2015，46（23）：6-9．

［17］馬崇武，劉忠玉，苗天德，等．江河水位升降對堤岸變坡穩定性的影響［J］．蘭州大學學報（自然科學版），2000，36（3）：56-60．

［18］況娟娟．水泥攪拌樁處理水閘軟基的應用分析［J］．人民長江，2013，44（15）：40-43.

（編輯：李晗）

Exploration of ecological treatment scheme for deep and soft river bank slope：a case of Xudong Village Section of Ezhou Changgang River

LI Yizhi1，SUN Lingkai1，WU Conglin1 ，KE Qilong2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.Hubei Provincial Administration Bureau of River Diversion Project，Wuhan 430010，China）

Abstract： In order to solve the problem that it is difficult to balance safety with ecology and landscape in the remediation of deep soft-based river slopes，and to achieve the ecological river management requirement of human-water harmony，the Xudong Village section of Changgang River in Ezhou City was taken as the researcharea and the pre-stressed pile and hydrophilic platform + ecological frame + vegetation block slope protection + aquatic plants shoreline comprehensive remediation program was proposed，which integrated safety，ecology and ornamental features.The safety coefficients of riverbank stability for soft foundation strengthening schemes with different pile lengths under different working conditions were calculated by using the AutoBank 7.7 software，and the relationship between pile length and riverbank stability was analyzed.The results showed that the variation of the pipe pile length that used to strengthen the foundation had a greater influence on the stability of the bank slope，and the safety factor of the bank slope gradually increased until the pile length reached the critical length；when the pile length reached a certain degree，the safety factor no longer increased with the increase of the pile length.The method is effective and can serve as a reference for similar projects.

Key words： soft foundation； river bank slope； ecological management； Ezhou City