堤內(nèi)建設(shè)填土對(duì)堤防的安全影響評(píng)價(jià)

謝建波 劉世斌 張三定 張石虎

軟土在我國(guó)濱江、臨海地區(qū)廣泛分布，近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，特別是濱江、臨海城市岸線整治、生態(tài)堤防和濕地景觀等水環(huán)境建設(shè)工程的興盛，臨堤工程建設(shè)活動(dòng)日趨頻繁，由此而引發(fā)的軟土區(qū)建設(shè)填土對(duì)堤防工程的安全問(wèn)題非常突出，輕者引起堤防有害變形，重者可引發(fā)堤防滑移垮塌，危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。鑒于此，筆者認(rèn)為臨堤建設(shè)填土對(duì)堤防的安全影響評(píng)價(jià)十分必要，應(yīng)引起建設(shè)各方的足夠重視。本文以南京江寧段長(zhǎng)江岸線綠化提升項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)要介紹了軟土區(qū)堤內(nèi)建設(shè)填土對(duì)堤防的安全影響有關(guān)評(píng)價(jià)內(nèi)容和方法，可為相關(guān)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，亦可為類(lèi)似工程研究提供參考。

1 概 述

2019年3月，為加快構(gòu)筑沿江森林生態(tài)廊道、建設(shè)世界一流綠色生態(tài)帶，南京市實(shí)施了江寧段長(zhǎng)江岸線綠化提升項(xiàng)目，其中，永翔鋼市重件碼頭至新洲社區(qū)一村段總長(zhǎng)約6.8 km，大堤內(nèi)側(cè)寬度100～200 m范圍內(nèi)，采用附近崗地第四系上更新統(tǒng)沖積（）黏性土進(jìn)行回填改造。典型設(shè)計(jì)斷面如圖1所示，填土厚度具體如下：（1）堤頂內(nèi)緣至堤內(nèi)坡腳范圍內(nèi)，填土厚度一般0～5.5 m，局部最大厚7.1 m；（2）堤內(nèi)坡腳向外30 m范圍以?xún)?nèi)，填土厚度一般2～6 m，最厚約8 m；（3）堤內(nèi)坡腳向外30 m范圍以外填土厚度一般2～6 m，最厚約10 m。

圖1 典型堤防設(shè)計(jì)及填土厚度斷面

2 基本地質(zhì)條件

南京長(zhǎng)江新生洲—新濟(jì)洲段江面寬約4.5 km，受多個(gè)江心洲分割，長(zhǎng)江分為寬度相當(dāng)?shù)淖?、右汊，分別寬約1.2 km，其中右汊為主汊。工程場(chǎng)址即位于右汊右岸，沿線屬河流侵蝕堆積地貌，地勢(shì)平坦。

（1）粉質(zhì)黏土（②-1）：黃褐色，可塑狀，局部軟塑狀，含少量鐵錳質(zhì)浸染斑點(diǎn)。場(chǎng)內(nèi)廣泛分布，層厚0.5～4.0 m。

（2）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉土、粉砂互層（②-2）：灰色，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以軟塑狀為主，局部流塑狀，含少量腐殖質(zhì)；粉土、粉砂均呈稍密狀。水平微層理發(fā)育，單層厚1～5 mm。層厚變化大，一般厚1.5～14.5 m。

（3）粉質(zhì)黏土（③-1）：灰色，軟塑-可塑狀，局部夾薄層粉砂，底部含粒徑1.0～2.0 cm礫石。分布不連續(xù)，層厚變化大，一般厚2.0～10.0 m。

據(jù)GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》，工程區(qū)50年超越概率10%地震動(dòng)峰值加速度值為0.1g，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期值為0.35 s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

3 堤內(nèi)建設(shè)填土對(duì)堤防的安全影響評(píng)價(jià)

3.1 抗滑穩(wěn)定

3.1.1 堤身抗滑穩(wěn)定

本堤防設(shè)計(jì)采用黏性土填筑，壓實(shí)度不小于0.92，堤頂高程13.30～13.45 m，堤頂寬8.0 m，兩側(cè)坡比1∶2.5，迎水坡高程12.50 m以下采用混凝土護(hù)坡，背水坡高程8.00 m設(shè)置一級(jí)馬道。堤身采用坡面復(fù)合土工布和多頭小直徑攪拌樁防滲墻防滲。兩側(cè)堤腳以外30 m范圍采用黏土填塘。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，本堤防除堤頂路面局部存在龜裂、車(chē)轍等病害外，未發(fā)現(xiàn)明顯的變形跡象，亦未有歷史險(xiǎn)情記錄，堤身現(xiàn)狀良好。

堤內(nèi)填土不改變堤身填土性狀和結(jié)構(gòu)形態(tài)，僅在其背水側(cè)用黏性土培厚。因此，填土后堤身不存在抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。

3.1.2 堤基抗滑穩(wěn)定

本堤段沿線堤基中的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉土、粉砂互層（②-2）、粉質(zhì)黏土（③-1）等軟土，孔隙比大，含水量高，壓縮性高，抗剪強(qiáng)度低。在填土荷載作用下，堤基可能沿軟土發(fā)生剪切破壞。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選取5條代表性地質(zhì)剖面進(jìn)行計(jì)算。

3.1.2.1 計(jì)算工況

基于保守狀態(tài)，不考慮堤外混凝土護(hù)坡、土工布防滲以及防滲墻的作用，計(jì)算工況如下：

（1）正常運(yùn)用條件：設(shè)計(jì)洪水位11.60 m降落至水位8.50 m，同時(shí)考慮堤頂?shù)缆奋?chē)輛荷載30 kPa。

（2）非常用條件：多年平均水位8.20 m時(shí)遭遇地震時(shí)，同時(shí)考慮堤頂?shù)缆奋?chē)輛荷載30 kPa。

3.1.2.2 計(jì)算方法

采用瑞典圓弧法（式（1））計(jì)算，并按簡(jiǎn)化畢肖普法（式（2））進(jìn)行校核，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中W——土條的重量，kN；

Q、V——水平和垂直地震慣性力（向上為負(fù)，向下為正），kN；

u——作用于土條底面的孔隙水壓力，kPa；

α——條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，（°）；

b——土條寬度，m；

c′——土條底面的有效凝聚力，kPa；

φ′——有效內(nèi)摩擦角，（°）；

Mc——水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，kN·m；

R——圓弧半徑，m。

本堤防工程級(jí)別為2級(jí)，規(guī)范要求抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于表1中數(shù)值。

表1 規(guī)范要求抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)最小值

3.1.2.3 計(jì)算參數(shù)選取

結(jié)合規(guī)范有關(guān)要求和本段堤防地質(zhì)勘察成果[3]，本次計(jì)算采用的土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 堤防穩(wěn)定計(jì)算采用的土體物理力學(xué)參數(shù)

3.1.2.4 計(jì)算結(jié)果

采用計(jì)算軟件《理正巖土邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)》（6.5PB2），全局搜索安全系數(shù)最小的圓弧，代表性圓弧搜索計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。本次分別計(jì)算了填土后正常和非正常運(yùn)用條件下堤基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算成果見(jiàn)表3。

據(jù)表3可知，本堤段在正常和非正常運(yùn)用條件下，填土后堤基抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)均可滿(mǎn)足規(guī)范要求。

結(jié)合有關(guān)勘察資料，在正常運(yùn)用條件下，按復(fù)原的填土前堤防剖面形態(tài)，計(jì)算了堤基抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)值，并與填土后計(jì)算安全系數(shù)值進(jìn)行了比較，計(jì)算成果見(jiàn)表4。

圖3 圓弧搜索計(jì)算代表性簡(jiǎn)圖（6-6′剖面）

表3 填土后抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)

表4 在正常運(yùn)用條件下填土前后抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)比較

據(jù)表4可知，在正常運(yùn)用條件下，填土后堤基抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)較填土前有所降低，填土對(duì)大堤抗滑穩(wěn)定不利。

3.2 沉降

本堤防2011年12月開(kāi)始實(shí)施建設(shè)，2013年4月竣工，至今已超過(guò)7年持續(xù)固結(jié)，可認(rèn)為其在自重作用下已完成固結(jié)，僅考慮因填土新增荷載引起的堤身和堤基最終沉降量。

3.2.1 計(jì)算方法與參數(shù)選取

結(jié)合實(shí)際，選取5條代表性地質(zhì)剖面，采用分層總和法，按式（3）計(jì)算最終沉降，壓縮層計(jì)算厚度按式（4）確定，實(shí)際壓縮層厚度小于式（4）計(jì)算值時(shí)，按實(shí)際壓縮層厚度計(jì)算沉降量。

式中S——最終沉降量，mm；

n——壓縮層范圍土層數(shù)；

hi——第i層土厚度，mm；

σz——計(jì)算層面處土附加應(yīng)力，kPa；

Esi——第i層土壓縮模量，MPa；

m——修正系數(shù)，軟土地基取1.3～1.6，本次取1.5；

σB——計(jì)算層面處土自重應(yīng)力，kPa。

本次計(jì)算采用土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)前述表2。

3.2.2 計(jì)算成果

本次選取的5條代表性地質(zhì)剖面計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 沉降計(jì)算成果 mm

據(jù)表5可知，填土引起大堤沉降明顯，具自堤內(nèi)向堤外遞減的特征，沉降結(jié)束堤頂高程較原設(shè)計(jì)高程一般低0.1～0.5 m（見(jiàn)表6）。建議結(jié)合堤頂路面改造采取加高措施，以保證堤頂在地基沉降結(jié)束時(shí)能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表6 堤頂高程在沉降結(jié)束與原設(shè)計(jì)值比較 m

3.3 滲透穩(wěn)定

堤內(nèi)大面積填筑黏性土后，相當(dāng)于背水側(cè)壓重增加，滲透路徑顯著加長(zhǎng)，相應(yīng)水力坡降大幅度減小，較填土前更有利于滲透穩(wěn)定。因此，本堤防在填土后不存在堤基滲透穩(wěn)定問(wèn)題。