軟土地基堤防失穩(wěn)邊坡加固方案分析研究

姜曉均，王 軍 ，閆訓(xùn)海

（上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

隨著城市水利工程的不斷發(fā)展，特別是近年來河長制的提出，城市河道堤防已成為集防洪、生態(tài)、景觀、休閑多功能為一體的綜合體，堤防的邊坡穩(wěn)定是保障河道治理效果的最基本因素[1]。軟土地基堤防岸坡滑塌事故時有發(fā)生，若處置不當則可能造成較大的生命和財產(chǎn)損失。因此，軟土地基堤防失穩(wěn)后的邊坡加固方案值得工程界深入探討。

本文以黃浦江某段失穩(wěn)江堤為例，探討軟土地基堤防邊坡失穩(wěn)后的加固方案設(shè)計。黃浦江為上海市骨干河道，堤防邊坡高度一般在15 m左右，屬于典型軟土堤防。

1 滑坡過程及原因分析

該堤防原為毛石混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)狀防汛墻上部被船只碰撞破損明顯，岸坡尚穩(wěn)定，故采取貼壁加固方案。在縱向圍堰鋼管樁沉樁過程中，墻體首次出現(xiàn)前傾，墻后地面出現(xiàn)細小裂縫。參建各方查看現(xiàn)場后，討論決定變更原設(shè)計方案，改為拆建防汛墻，采用前板后方雙排樁基結(jié)構(gòu)。此后，岸坡施工期間又經(jīng)歷兩次明顯的變形。第一次變形是在防汛墻前排板樁沉樁過程中，由于連日陰雨，堤頂?shù)缆樊a(chǎn)生裂縫，板樁結(jié)構(gòu)樁頂部位向江中傾斜2～45 cm不等。參建各方踏勘現(xiàn)場后，一方面要求施工單位對道路裂縫進行處理，避免雨水滲入路基引起滑坡；另一方面減輕堆載并盡快沉入最后幾根板樁，避免基坑暴露時間過長。第二次變形出現(xiàn)在板樁沉樁完成后的第二天凌晨，堤頂?shù)缆吠蝗豢焖傧鲁?，隨后整個岸坡連同樁基、圍堰等紛紛滑入江中。

事后根據(jù)斷面測量比對，滑坡體厚度在10 m以內(nèi)，為淺層滑坡。結(jié)合計算分析認為形成滑坡的原因主要有以下幾點。

1.1 對土體觸變性認識不足

據(jù)第二次滑坡后的勘探資料顯示，該岸段為軟弱場地土，淺層有約10 m厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)粘土，這兩層土具有高靈敏度，St在4左右。由于工程界對土體觸變性的認識還不夠，以現(xiàn)有的水平和能力較難把控高靈敏度土體的強度變化過程。

1.2 打樁振動對原狀土的擾動

墻前密排樁基施工，再加上打樁機作業(yè)時岸上配合的挖掘機同時施工作業(yè)，兩者引起的動荷載互相疊加，擾動了軟土層，極大地降低了土體強度指標。

1.3 岸線調(diào)整

該段堤防岸線因歷史原因造成退后，該改造工程按照拉直岸線處理，局部凹浜回填土方。由于施工進度緊張，土體未完全固結(jié)，影響土體強度的發(fā)揮。

1.4 墻前泥面變化

根據(jù)滑坡段附近（未滑處）最新的測量數(shù)據(jù)推測滑坡發(fā)生前滑坡段岸坡水下泥面已較設(shè)計時至少刷深了3～5 m。按刷深后的泥面計算得出的邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)比原設(shè)計降低約30%，不滿足設(shè)計規(guī)范要求，處于不安全狀態(tài)。該段岸線較為平順，河勢比較穩(wěn)定，但岸段前沿水域為大小船舶轉(zhuǎn)駁段，船舶頻繁違規(guī)在墻前靠泊作業(yè)，造成水流淘刷墻前河床，同時也不能排除人為疏浚的可能。

1.5 水位驟降疊加降雨

滑坡發(fā)生時正值黃浦江落潮時分。連日降雨，使得表面降水滲入坡體，增加了坡體的下滑力，雨水沿土體孔隙下滲補給地下水，疊加墻前水位驟降，導(dǎo)致地下水活動加劇，造成土體抗剪強度降低。

多種因素疊加最終造成了滑坡的發(fā)生。

2 加固方案比選

邊坡失穩(wěn)后搶險的原則是盡快建立受力平衡體系。常見的搶險方案包括堤防退建、坡頂減重、坡腳反壓、增設(shè)阻滑樁、地表及地下適當降排水等。

該項搶險加固工程結(jié)合以上常用方法擬定了4種比選方案（見圖1～圖4）。

圖1 方案一（退建高樁承臺大防汛墻+模袋混凝土護面）設(shè)計圖

圖2 方案二（原位高樁承臺大防汛墻+模袋混凝土護面）設(shè)計圖

圖3 方案三（原位高樁承臺大防汛墻+大拋填護坡）設(shè)計圖

圖4 方案四（退建小防汛墻+部分拋填護坡）設(shè)計圖

2.1 方案一（退建大擋墻+模袋混凝土護面）

此方案為高樁承臺前排鋼板樁后排灌注樁+墻前簡單防沖護面，墻身采用 L型鋼筋混凝土防汛墻。考慮到現(xiàn)有滑坡土體已經(jīng)過擾動，新建防汛墻樁基礎(chǔ)也不宜采用擾動影響大的預(yù)制混凝土板樁；前排樁優(yōu)先考慮時效性和耐久性較強的鋼板樁，后排樁基礎(chǔ)采用常用的擾動影響小的鉆孔灌注樁。新建防汛墻墻身厚400 mm，墻頂高程5.24 m。底板底高程為2.8 m（便于趕潮施工），底板厚500 mm，寬4.0 m。前排樁基礎(chǔ)采用密排冷彎鋼板樁，樁長根據(jù)邊坡穩(wěn)定計算和樁頂位移計算，確定為18 m，后排樁基礎(chǔ)采用φ800 mm的灌注樁，樁間距2.0 m，兩排樁排距3.0 m。墻前按照現(xiàn)狀坡面，采用水下模袋混凝土護坡，厚0.3 m，護灘總長度50 m。

2.2 方案二（原位大擋墻+模袋混凝土護面）

針對管理單位和部分專家提出少占用堤防用地的要求，在老墻原位置新建防汛墻，堤線保持不變。

該方案為高樁承臺+墻前簡單防沖護坡，墻身采用L型鋼筋混凝土擋墻。新建防汛墻墻身厚400 mm，墻頂高程5.24 m。底板底高程為2.8 m，底板厚500 mm，寬4.0 m。該高樁承臺臨空面高度較大，經(jīng)計算需設(shè)3排鉆孔灌注樁，樁長20 m。前兩排均采用φ800 mm密排灌注樁，第3排φ800 mm樁間距1.8 m。墻前按照現(xiàn)狀坡面，采用水下模袋混凝土護面，護灘總長度42 m。

2.3 方案三（原位大擋墻+大拋填護坡）

采用水下拋填保灘方案，恢復(fù)泥面后，在原位新建防汛墻，堤線不后退。

此方案拋填方量較大且袋裝土和塊石造價較高，經(jīng)費用比較，采用造價較低的水下充填袋裝砂作為主拋填料。該方案砂源采用外購，施工船舶進入較方便，具備相應(yīng)施工條件。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）第7.5.1條，臨水側(cè)堤坡坡度可按級別、護坡形式等計算來確定，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，經(jīng)穩(wěn)定計算，考慮以后便于根據(jù)新的設(shè)計標準加高加固，最終推薦坡比均為1∶3。采用設(shè)置一級平臺的復(fù)式斜坡結(jié)構(gòu)，平臺高程-2.0 m，寬5 m，第一級坡面高程3.5 m～-2.0 m，第二級坡面高程-2.0 m～-6.50 m，采用水下模袋混凝土護面，厚度0.3 m。

大堤堤腳及護腳結(jié)構(gòu)是確保堤身安全的重要組成部分。為保證護坡的整體穩(wěn)定，需在堤腳設(shè)鎮(zhèn)腳和護腳結(jié)構(gòu)。堤腳采用合金石籠棱體，棱體頂高程-6.50 m，頂部寬度4 m，坡比1∶1.5。堤腳外設(shè)8.0 m寬拋石護腳厚2.0～1.0 m，塊石單重需大于80 kg。

堤頂設(shè)高樁承臺L型鋼筋混凝土防汛墻，墻身厚0.4 m，墻頂高程5.24 m，底板底高程為2.8 m，底板厚0.5 m，寬4.0 m。防汛墻底板坐落在回填土上，回填土深度約4 m，考慮穩(wěn)定、不均勻沉降等可能的不利影響，底板采用兩排樁基礎(chǔ)。前排樁采用密排冷彎鋼板樁（OT26），樁長為12 m，后排樁采用φ600 mm的鉆孔灌注樁，樁長12 m，樁間距2.0 m，兩排樁排距3.0 m。鋼板樁后回填袋裝土，填土表面鋪設(shè)一層機織布，再回填砂，擋墻底板以上采用回填土分層碾壓夯實。墻后恢復(fù)重建5 m寬防汛通道。

2.4 方案四（退建小擋墻+部分拋填護坡）

方案一、三涉及兩個不同的修復(fù)理念，差異較大，均存在各自較明顯的優(yōu)缺點，現(xiàn)綜合兩者的優(yōu)點，形成方案四，即水下部分拋填+退建小擋墻。

該方案堤線后退，拋填方量仍較大但比方案三小，仍考慮采用水下充填袋裝砂作為主拋填料。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，經(jīng)穩(wěn)定計算，考慮以后便于根據(jù)新的設(shè)計標準加高加固，最終推薦坡比均為1∶3。采用設(shè)置一級平臺的復(fù)式斜坡結(jié)構(gòu)，平臺高程-3.5 m，寬5 m，第一級坡面高程3.5 m～-3.5 m，第二級坡面高程-3.5 m～-6.50 m，采用水下模袋混凝土護面，厚度0.3 m。

堤腳采用合金石籠棱體，棱體頂高程-6.50 m，頂部寬度4 m，坡比1∶1.5。堤腳外設(shè)8.0 m寬拋石護腳厚2.0～1.0m，塊石單重需大于80 kg。

堤頂設(shè)L型鋼筋混凝土小擋墻，墻身厚0.4 m，墻頂高程5.24 m，底板底高程為2.5 m，底板厚0.5 m，寬2.6 m。防汛墻底板局部坐落在回填土上，考慮穩(wěn)定、不均勻沉降等可能的不利影響，設(shè)兩排鋼筋混凝土方樁，方樁尺寸250 mm×250 mm，樁間距1 m，牌局2.0 m，樁長8 m。墻后恢復(fù)重建5 m寬防汛通道。

2.5 方案比選

具體方案比選見表1所列。

根據(jù)綜合比較分析，為便于與兩側(cè)未滑坡段岸線的平順銜接，考慮盡量不新占地也不損失地，方案三在安全性上稍好。推薦方案三：原位大擋墻+大拋填護坡。為便于方案實施，考慮實際施工需求，對于滑坡段前沿遺留的部分鋼管樁予以拔除，部分已打入的方樁和板樁則予以保留。由于滑坡發(fā)生時即將進入汛期，鑒于汛前難以完成永久性防汛墻工程，現(xiàn)場缺口采用臨防措施。為確?；露螕岆U施工的安全，要求施工單位需待滑坡發(fā)生至少6個月后方可進行搶險施工。一般認為此時滑坡段已基本穩(wěn)定，土體強度已逐漸恢復(fù)。

表1 方案比選表

3 結(jié)論與建議

滑坡加固方案應(yīng)根據(jù)滑坡類型、規(guī)模、穩(wěn)定性，結(jié)合滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件、施工設(shè)備和施工季節(jié)等條件，選用多種形式進行綜合治理[2]。該工程選用了抗滑樁與墻前鎮(zhèn)腳組合的措施，待滑坡段基本穩(wěn)定、土體強度逐漸恢復(fù)后進行了加固處理。該段堤防已建成并經(jīng)歷了兩個汛期的考驗，綜合來看，此次加固方案是安全可靠、經(jīng)濟合理的。

通過此次滑坡加固方案的分析研究，可得出以下結(jié)論：

（1）勘察方面：粘土的觸變性是指粘土的結(jié)構(gòu)受到擾動后，強度降低，但隨著靜置時間增加，土粒、離子、水分子之間又組成新的平衡體系，土的強度逐漸恢復(fù)的這種性質(zhì)。在勘察到高靈敏度軟土?xí)r，勘察單位應(yīng)提醒設(shè)計單位及施工單位重視土體觸變性的影響。

（2）設(shè)計方面：打樁是軟土地基常用的地基處理措施，在樁基比選時應(yīng)盡量選用振動較小的樁型，如鋼樁、鉆孔灌注樁等，有條件時優(yōu)先選用高樁承臺結(jié)構(gòu)型式。

（3）施工方面：在河道堤防工程施工前，應(yīng)復(fù)測墻前泥面線，若與設(shè)計出入較大，需及時通知設(shè)計單位。在軟土地基上打樁時，應(yīng)隔樁跳打，同時選用振動較小的設(shè)備，盡量減小加載量，做到慢速加載、延遲加載。