軟土地基堤防險(xiǎn)情成因與邊坡穩(wěn)定性分析

潘茂太 劉同宦 楊昕光，3 潘家軍

(1.安慶市長(zhǎng)江河道管理局，安徽 安慶 246000；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430000； 3.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，北京 100038)

軟土地基堤防險(xiǎn)情成因與邊坡穩(wěn)定性分析

潘茂太1劉同宦2楊昕光2，3潘家軍2

(1.安慶市長(zhǎng)江河道管理局，安徽 安慶 246000；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430000； 3.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，北京 100038)

某軟基段堤防近年來不斷出現(xiàn)不同程度的堤坡塌陷、下挫及堤頂?shù)缆废鲁恋入U(xiǎn)情。根據(jù)歷年險(xiǎn)情總結(jié)與分析可知，堤坡沉陷、開裂是該堤段的最主要險(xiǎn)情，其破壞機(jī)制與地基不均勻沉降引起的堤身拉剪破壞機(jī)制相吻合。邊坡穩(wěn)定性分析表明，堤防本身不存在抗滑失穩(wěn)問題。堤基軟土調(diào)查分析進(jìn)一步揭示了堤坡下挫的主要原因是堤基不均勻沉降。在此基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的除險(xiǎn)加固措施。

堤防；軟基處理；加固施工；穩(wěn)定性分析

1 工程概況

皖河某段堤防全長(zhǎng)6.65 km，堤基為軟基段。由于河水流向數(shù)次變遷改道，忽淤忽沖，構(gòu)成了現(xiàn)今變化復(fù)雜的地層。根據(jù)歷次勘探成果，自地面下有約14 m厚的軟弱土層，在堤防修建過程中并未對(duì)堤基軟弱土層進(jìn)行處理，歷史上曾因堤基軟弱而發(fā)生多次嚴(yán)重滑坡、塌方險(xiǎn)情。

圖1 1960～1995年堤防加固斷面示意(單位：m;高程:m)

1996年，對(duì)該段堤防進(jìn)行了加固處理，但自2006年11月以來，該段堤防仍不斷出現(xiàn)不同程度的堤坡塌陷、下挫及堤頂?shù)缆废鲁恋入U(xiǎn)情。其中，堤坡塌陷與下挫是最主要的險(xiǎn)情，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、分布范圍廣且破壞較為嚴(yán)重。近年來，該堤段雖經(jīng)過數(shù)次應(yīng)急除險(xiǎn)加固，但仍出現(xiàn)程度不一的沉陷、下挫及開裂等問題。該堤防為長(zhǎng)江2級(jí)堤防，如不根治險(xiǎn)情，任其繼續(xù)擴(kuò)大，很有可能危及堤防安全，造成生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。因此，有必要確定該堤防的險(xiǎn)情成因，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上采取有效的除險(xiǎn)加固措施。

該段堤防1960～1995年歷次加固斷面如圖1所示。

2 歷次險(xiǎn)情總結(jié)與分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年11月、2010年4月、2010年汛后至2014年汛后及2015年，先后發(fā)現(xiàn)該堤防多段發(fā)生護(hù)坡沉陷，并產(chǎn)生縱縫和弧形裂縫。由表1可知，堤坡沉陷、開裂是近年來的最主要險(xiǎn)情。以下為其主要3個(gè)特點(diǎn)。

(1) 險(xiǎn)情持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。歷年險(xiǎn)情調(diào)查均發(fā)現(xiàn)堤坡出現(xiàn)沉陷、開裂的情況，且破壞仍在緩慢發(fā)展。

(2) 險(xiǎn)情分布范圍較廣。該段堤防發(fā)生過堤坡沉陷的堤段共計(jì)長(zhǎng)4.8 km，占總長(zhǎng)的72%，甚至有部分堤段多次出現(xiàn)堤坡沉陷、開裂等險(xiǎn)情。

(3) 險(xiǎn)情破壞較為嚴(yán)重。外堤坡沉陷最深達(dá)60多cm，且有些沉陷部位存在寬10～50 cm的裂縫。

表1 堤坡沉陷及開裂險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)

從險(xiǎn)情調(diào)查與歷次觀測(cè)成果看，堤坡沉陷、下挫的破壞形式主要為護(hù)坡垂直下挫，同時(shí)某些沉陷部位存在明顯的裂縫，這與地基不均勻沉降引起的堤身拉剪破壞機(jī)制相吻合。同時(shí)，在實(shí)際勘察中未見堤腳、平臺(tái)及灘地附近有明顯的剪出口，因而不符合堤身失穩(wěn)的破壞特征。因此初步判斷引起堤坡沉陷、開裂的原因不是堤坡失穩(wěn)，而是地基不均勻沉陷。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

為了進(jìn)一步查明堤防險(xiǎn)情原因，對(duì)堤坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)的要求，土堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算可采用瑞典圓弧滑動(dòng)法和簡(jiǎn)化畢肖普法。本次計(jì)算采用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行堤坡穩(wěn)定性分析[1-2]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)險(xiǎn)情位置和歷年勘測(cè)成果，選擇樁號(hào)141+001為代表性斷面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。該段堤防堤身填土主要為粉質(zhì)黏土，堤基由上至下分別為黏土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、粉細(xì)砂層及粉質(zhì)黏土層，具體計(jì)算斷面見圖2。

圖2 穩(wěn)定計(jì)算典型斷面(高程:m)

在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法應(yīng)采用相應(yīng)的總應(yīng)力強(qiáng)度和有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。通常情況下，堤防填筑施工期和運(yùn)行期水位驟降期采用總應(yīng)力法計(jì)算，施工期可采用快剪強(qiáng)度指標(biāo)，運(yùn)行期水位驟降則采用固結(jié)快剪指標(biāo)。本次計(jì)算總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)采用固結(jié)快剪小值平均值，有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)則采用三軸排水剪試驗(yàn)成果。具體計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

該段堤防的工程等級(jí)為2級(jí)，按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)規(guī)定的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，2級(jí)堤防在正常運(yùn)行工況下邊坡抗滑安全系數(shù)不小于1.25；非常運(yùn)行條件下其抗滑安全系數(shù)不小于1.15。工程施工期和水位驟降期的抗滑安全按非常運(yùn)行條件的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)外江水位、有無地震等計(jì)算條件劃分計(jì)算工況。水位考慮設(shè)計(jì)水位和枯水位兩種，水位驟降考慮江水位從設(shè)計(jì)水位驟降至堤坡腳。地震烈度為6度，穩(wěn)定分析可不考慮。

根據(jù)以上巖土參數(shù)、計(jì)算工況和水位條件進(jìn)行堤坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算成果見表3，各工況最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)滑弧位置見圖3與圖4。

表3 141+001斷面抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

圖3 141+001斷面穩(wěn)定計(jì)算成果(有效應(yīng)力法)

圖4 141+001斷面穩(wěn)定計(jì)算成果(總應(yīng)力法)

由表3可知，有效應(yīng)力法計(jì)算的抗滑安全系數(shù)略大于總應(yīng)力法對(duì)應(yīng)的抗滑安全系數(shù)，說明兩套強(qiáng)度指標(biāo)在協(xié)調(diào)方面存在一定差異。兩種方法計(jì)算的各工況的抗滑安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，可見，堤防本身的抗滑穩(wěn)定不存在問題，目前出現(xiàn)的堤坡沉陷、開裂等險(xiǎn)情不是因堤身或堤基失穩(wěn)而引起的，這與堤腳附近無明顯剪出口現(xiàn)象相吻合。

4 堤基軟土調(diào)查與分析

為驗(yàn)證坡面下挫是由堤基不均勻沉降所引起的，對(duì)樁號(hào)140+690～140+760的堤基軟土層的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析，將堤身的下臥粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的含水率、干密度、孔隙比以及壓縮系數(shù)進(jìn)行分層分鉆孔對(duì)比，如圖5～8所示。

圖5 斷面含水率對(duì)比

圖6 斷面干密度對(duì)比

圖7 斷面孔隙比對(duì)比

圖8 斷面壓縮系數(shù)對(duì)比

由圖5～ 8可知，粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的含水率、孔隙比及壓縮系數(shù)從堤頂部位到外坡腳再到灘地部位依次增大，干密度則依次減小。說明從堤頂?shù)酵馄履_再到灘地的下臥軟土的密實(shí)度依次減小，壓縮性依次增大。這是因?yàn)榈添敳课簧细埠奢d較大，經(jīng)過多年的固結(jié)，該部位下臥黏土層的孔隙比、含水率、壓縮性均有所降低，強(qiáng)度和變形特性較填筑初期有了一定的提高，但性質(zhì)仍較為軟弱。而外坡腳及灘地部位由于上覆荷載較小，孔隙比、含水率和壓縮性變化不大，性質(zhì)仍較為軟弱。當(dāng)受到水位變化、降雨和土體浸水軟化作用等擾動(dòng)時(shí)，由于堤頂下臥黏土層壓縮性低且受到的擾動(dòng)較小，而外坡腳處下臥黏土層性質(zhì)軟弱且受到的擾動(dòng)較為劇烈，必然引起地基產(chǎn)生不均勻沉降。此外，相較于堤身，迎水側(cè)反壓平臺(tái)的填筑時(shí)間較晚，排水條件也較差，因而使下臥黏土層各部位非同步產(chǎn)生固結(jié)沉降，也會(huì)造成地基的不均勻沉降。這也合理解釋了堤坡塌陷、下挫一般多見于迎水坡的原因。

據(jù)歷年勘察成果，迎水側(cè)表層貼坡土土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，含水率高，壓實(shí)度低，筑填質(zhì)量差，大部分不滿足筑填標(biāo)準(zhǔn)，且堤身內(nèi)土體含水率高，接近飽和狀態(tài)，這主要是由于堤防填土土質(zhì)差、加培方式不利于及時(shí)排出堤身含水以及無排水措施而造成的。堤身土體長(zhǎng)期受堤內(nèi)積水浸泡，其物理力學(xué)特性發(fā)生了復(fù)雜變化，進(jìn)而引起土體軟化，減弱了其抵抗破壞的能力。當(dāng)?shù)鼗a(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，堤身土質(zhì)差和浸水軟化作用會(huì)進(jìn)一步引發(fā)外堤坡大范圍的沉陷、開裂，加劇破壞；在堤頂交通動(dòng)載等的作用下，還會(huì)引起堤頂路面沉降。

5 結(jié)論與建議

歷年險(xiǎn)情分析、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及堤基軟土勘察成果表明，該段堤防現(xiàn)階段最主要的險(xiǎn)情為堤坡的沉陷、下挫，主要是由地基不均勻沉陷引起的。同時(shí)，堤身土質(zhì)差和浸水軟化作用會(huì)進(jìn)一步加劇險(xiǎn)情，引發(fā)堤坡大范圍的沉陷、開裂，在堤頂交通動(dòng)載作用下，還會(huì)引起堤頂?shù)缆返某两怠ａ槍?duì)上述問題，建議結(jié)合以往加固經(jīng)驗(yàn)，提出合理、有效、經(jīng)濟(jì)的加固處理方案，包括采用真空預(yù)壓或格柵狀水泥攪拌樁等軟基處理措施減小堤基不均勻沉降，采用堤身加固等措施改善土質(zhì)，堤內(nèi)坡設(shè)置排水溝減小土體浸水軟化作用等，從而從根本上消除堤防潛在隱患，確保大堤安全運(yùn)行。

[1] 陳祖煜. 土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析一原理、方法、程序[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2003.

[2] Bishop A W. The use of the slip circle in the stability analysis of slopes[J]. Geotechnique, 1955, 5(1): 7-17.

(編輯：陳紫薇)

1006-0081(2017)03-0020-03

2017-01-10

潘茂太，男，安慶市長(zhǎng)江河道管理局，工程師.

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