長(zhǎng)江濟(jì)益公堤河湖相淤泥質(zhì)軟基堤防裂縫成因分析

李薦華，甘建軍，方 正，徐 翔，許 俊

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 江西省水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029；2.南昌工程學(xué)院 鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099)

1 工程概況

長(zhǎng)江濟(jì)益公堤河湖相深厚淤泥質(zhì)軟基堤防位于長(zhǎng)江干流南岸九江市下游，主要用于防護(hù)九江市區(qū)及沿岸交通、廠礦設(shè)施的安全。該堤防經(jīng)2001年加固整治后全長(zhǎng)4.979 km，高7.05～7.82 m，屬梯形土堤，背水坡設(shè)二坡臺(tái)，堤內(nèi)腳設(shè)有壓浸臺(tái)。背水側(cè)黏土從堤頂?shù)降棠_填土厚度2.5 ～6.0 m；局部堤段設(shè)有防滲墻，墻高14.50～15.55 m，穿過堤身，墻底接近砂性土層頂面，持力層為砂性土；江岸拋石固腳護(hù)岸，最小厚度1.0 m，坡度1 ∶2.5；堤內(nèi)吹填壓浸，寬度47 m。從2005年以來，堤頂裂縫由400 m向上下游擴(kuò)展到535.3 m[1-2]。

堤基分布深厚第四系河湖相結(jié)構(gòu)性沖積層，最大厚度16.6 m。上層依次為2.0～4.6 m厚的粉質(zhì)黏土、厚4.6～12.7 m的淤泥質(zhì)黏土；堤基下層依次為0.7～11.1 m厚粉細(xì)砂、0.0～16.6 m的中粗砂及砂礫石。由于軟基厚度大，分布不均，地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，導(dǎo)致工程安全和穩(wěn)定性存在較大的隱患，給堤內(nèi)防護(hù)范圍20多萬人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和廠礦企業(yè)的正常生產(chǎn)帶巨大的潛在威脅[3-6]。

2 監(jiān)測(cè)布置及分析方法

為查找出堤防裂縫發(fā)生的原因，確保堤防的安全穩(wěn)定性，在堤頂縱軸線布設(shè)了6個(gè)橫截面42個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均可監(jiān)測(cè)水位、水平位移和垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)的時(shí)間為2個(gè)水文年，監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括堤外腳、堤頂左緣、防滲墻頂、裂縫右緣、堤頂右緣、二坡臺(tái)、壓浸臺(tái)等，觀測(cè)點(diǎn)位置(見圖1)。

圖1 堤防監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 水平位移分析

水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果(見圖2)，由圖可見，堤外腳和堤頂左緣的位移量為負(fù)值，說明迎水坡具有整體向堤外移動(dòng)的趨勢(shì)，其向堤外移動(dòng)的位移具有上游側(cè)大于下游側(cè)的總體變化規(guī)律，其中堤外腳位移量3.3～5.5 mm，堤頂左緣位移量2.6～5.5 mm。而堤頂右緣、二坡臺(tái)、壓浸臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移值均為正，說明堤背水坡具有整體向堤內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)。在上游段，背水坡水平位移具有坡頂位移>坡中位移>坡腳位移的規(guī)律，而在下游段，背水坡堤頂和二坡臺(tái)的位移量逐漸增大，其中堤頂右緣位移量2.5 mm增至8.0 mm；二坡臺(tái)位移量1.9 mm增至7.8 mm,說明背水坡一側(cè)下游水平>上游水平位移；而壓浸臺(tái)位移量卻逐漸減小。因此，該堤水平位移總體上迎水坡向長(zhǎng)江偏移，背水坡向堤內(nèi)偏移，造成頂裂縫的產(chǎn)生。

圖2 堤防監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積水平位移量

3.2 垂直位移分析

各測(cè)點(diǎn)垂直位移2個(gè)水文年累積量(見圖3)，由圖可見，土堤橫斷面特征部位表面的2年累積沉降量具有堤頂右緣>堤外腳>裂縫右緣>堤頂左緣>二坡臺(tái)>防滲墻頂>壓浸臺(tái)的特點(diǎn)。其中，堤外腳沉降量9.0～13.4 mm，平均沉降量11.13 mm；近迎水坡堤頂垂直位移為8.5～13.3 mm，平均垂直位移為10.56 mm；防滲墻頂沉降量6.0～10.3 mm，平均沉降量7.86 mm；裂縫右緣垂直位移量為9.7～11.7 mm，平均垂直位移10.67 mm；堤頂右緣沉降量14.3～19.2 mm，平均垂直位移17.08 mm；背水坡坡中垂直位移為8.4～12.9 mm，坡腳垂直位移為5.2～12.2 mm，平均垂直位移7.43 mm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該軟基堤防具有持續(xù)沉降和整體沉降的發(fā)展趨勢(shì)，其平均沉降速率害0.04 mm/d。

正是由于水平位移和垂直位移的綜合影響，背水坡沉降幅度>迎水坡，其垂直位移相差2～46.2 mm。裂縫出現(xiàn)在堤頂?shù)姆罎B墻背水側(cè)邊緣，基本平行防滲墻軸線，呈單條不連續(xù)分布，且限于防滲墻設(shè)置范圍內(nèi)。裂縫長(zhǎng)度在20～536 m之間，上游單條裂縫較短，下游單條裂縫較長(zhǎng)。裂縫基本沿防滲墻背水面并向背水側(cè)垂直張裂，縫寬1～20 mm，可見裂開深度2.75 m。

圖3 堤防各監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)水位年累積垂直位移量

3.3 水位變化與沉降速率分析

圖4所示為2個(gè)水位年的水位變化與沉降速率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果圖，由圖4可見，監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面最大沉降速率達(dá)0.18 mm/d，其平均沉降速率與長(zhǎng)江水位呈負(fù)相關(guān)性和滯后性，水漲則沉降減緩，水退則沉降加快，且沉降速率的滯后時(shí)間約為1個(gè)月[7-9]。

3.4 固結(jié)變形分析

為研究水位變化及上部荷載變化軟土對(duì)固結(jié)沉降變形的影響，利用GDS高級(jí)固結(jié)儀對(duì)壩基軟土進(jìn)行固結(jié)壓力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa固結(jié)試驗(yàn)分析，得出位移時(shí)間對(duì)數(shù)曲線e-lgt(見圖5)。其最終固結(jié)變形值分別為：0.465 1 mm、0.589 mm、1.300 2 mm、2.413 2 mm、3.407 1 mm和2.444 6 mm。

圖4 沉降速率與水位變化關(guān)系曲線

圖5 不同固結(jié)應(yīng)力下軟土e-lgt的曲線

從圖5可見，隨著固結(jié)應(yīng)力的增大，主固結(jié)時(shí)間大小關(guān)系是tp50>tp100>tp200>tp400>tp800>tp1600，說明固結(jié)應(yīng)力越大，主固結(jié)時(shí)間tp越短。在各級(jí)固結(jié)應(yīng)力作用下的曲線線型也有所不同，隨著固結(jié)應(yīng)力的提高，主固結(jié)壓縮量與總壓縮量之比(主因結(jié)比)越大，次固結(jié)占比越小。利用固結(jié)沉降的公式(1)。

(1)

式中：S—次固結(jié)沉降量；H—土層厚度，其它符號(hào)意義同式(1)。計(jì)算結(jié)果(見表1)。

表1 濟(jì)益公堤軟土地基次固結(jié)沉降量

4 軟基堤防裂縫成因分析

4.1 地下水位變化對(duì)堤基沉降變形影響分析

利用Geostudio軟件模擬地下水位變化對(duì)堤基沉降的影響(見圖6)，由圖可以看出，監(jiān)測(cè)期間，長(zhǎng)江水位在8.40～17.20 m之間，基本是長(zhǎng)江常年變幅水位和堤基地下水位變幅范圍。高河水位時(shí)，全年有23%的時(shí)間段內(nèi)，堤身底部?jī)H0.00～1.63 m高度處于水下，因此，長(zhǎng)江水位變幅對(duì)堤身變形的直接影響甚微。

當(dāng)長(zhǎng)江水位上漲時(shí)，堤基受反向滲流力及承壓水的頂托作用，堤基軟土孔隙水壓力相應(yīng)增大，使得堤防沉降速率減緩；相反，當(dāng)迎水坡水位降低時(shí)，堤基地下水向迎水坡一側(cè)排泄，揚(yáng)壓力的托浮作用減弱，堤基軟土孔隙水壓力相應(yīng)釋放而減小，使得堤基沉降增大，速率也加快，并伴隨側(cè)向蠕滑[10]，檢測(cè)資料也符合這一規(guī)律。這符合堤基軟土孔隙水壓力相應(yīng)釋加速固結(jié)變形的一般規(guī)律。同時(shí)，在江岸臨空面附近，堤基地下水的側(cè)向排泄也將使堤基產(chǎn)生側(cè)向蠕變沉降。

4.2 堤身堆載時(shí)間差異對(duì)堤基沉降變形影響分析

堤身堆載時(shí)向差異對(duì)提基沉降變形影響分析是基于堤基軟土土層結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性基本相似條件下。在堤軸線方向，堤身加載過程基本均勻，檢測(cè)資料反映其變形總量和變形速率相近。在堤身橫斷面方向，最近一次較大規(guī)模加載如圖1，由于斷面上的加載量差異明顯，從而導(dǎo)致堤基應(yīng)力的差異，表現(xiàn)為斷面各處的沉降量差異，斷面各部位加載厚度及監(jiān)測(cè)期相應(yīng)平均沉降量(見圖7)。

圖6 地下水位變化對(duì)堤防軟其揚(yáng)壓力的影響

圖7 土堤斷面加載厚度與平均沉降量的關(guān)系曲線

由圖7可知，堤基所受外荷越大，各測(cè)點(diǎn)位移越大，新加堤載由于其次固結(jié)還未完成，其沉降量也越大，說明新加堤載對(duì)其相同部位堤基沉降量及沉降速率貢獻(xiàn)相對(duì)較大[8]。

4.3 防滲墻對(duì)堤基沉降變形影響分析

該堤防采用的振孔高噴垂直防滲墻技術(shù)，該墻體是一種硬度大、容生高的塑性混凝土材料。防滲墻持力層為沉降變形相對(duì)較小的砂性土，而土堤持力層是淤泥質(zhì)粘土等高壓縮性軟土，在該防滲墻荷載持續(xù)施壓下，土堤底面的軟土絕對(duì)沉降量將大于防滲墻底面砂性土的絕對(duì)沉降量。由于防滲墻兩側(cè)土堤的優(yōu)先下沉，還在防滲墻兩側(cè)產(chǎn)生的向下的負(fù)摩擦力，進(jìn)而加大了防滲墻的沉降。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，防滲墻頂(裂縫左)監(jiān)測(cè)期總沉降量平均值為7.9 mm，而防滲墻兩側(cè)(防浪墻、堤頂右)土堤監(jiān)測(cè)期總沉降量平均值分別為10.6 mm和17.1 mm，說明土堤底面軟土的絕對(duì)沉降量還是大于防滲墻底面砂性土的絕對(duì)沉降量，尤其是在防滲墻背水側(cè)，兩者的沉降差量更加明顯。受防滲墻阻隔作用，土堤堤基在側(cè)向蠕變作用下，堤身產(chǎn)生垂直于堤軸線方向的張應(yīng)力，使得堤防淺表拉張，土體與防滲墻相背離形成拉張裂縫。土堤底面軟土的絕對(duì)沉降量大于防滲墻底面砂性土的絕對(duì)沉降量，而該兩側(cè)土堤的拉應(yīng)力是堤頂產(chǎn)生拉張裂縫的根本原因。

5 結(jié) 論

堤身裂縫變形主要與長(zhǎng)江水位變化、堤身結(jié)構(gòu)、堤基土層結(jié)構(gòu)及其主固結(jié)、次固結(jié)特性有關(guān)。由于防滲墻持力層是低壓縮性的砂性土，而土堤持力層是較厚的高壓縮性軟土，在堤載持續(xù)作用下，兩側(cè)土堤累積沉降量、沉降速率都超過了防滲墻的累計(jì)沉降量和沉降速率。因差異壓縮變形和防滲墻的阻隔控制作用，防滲墻兩側(cè)土堤堤基產(chǎn)生豎向沉降和相背離的水平位移，從而導(dǎo)致防滲墻背水側(cè)的縱向裂縫，建議此類地質(zhì)條件下的堤壩防滲墻宜采用塑性材料，以避免堤壩裂縫的產(chǎn)生。