白坭河某段堤防險情成因及除險加固方案研究

姜新慧

(廣東珠榮工程設計有限公司，廣州 510610)

堤防是防洪體系的主要組成部分，能有效抵御洪水的侵襲[1]，其堤身和堤基的質量與穩(wěn)定性是確保河道正常行洪，保障堤內防洪安全的關鍵。大多數(shù)堤防還是沿岸交通要道，堤防的穩(wěn)固和安全顯得尤為重要[2]。掌握堤防工程地質條件、主要工程地質問題，采取有效的除險加固措施，對保證堤防工程安全十分必要[3-4]。文章針對廣東白坭河某段堤防進行工程地質條件評價，出險原因分析，提出加固方案，為其他堤防整治工程提供經(jīng)驗和參考。

1 堤防概況

工程堤防位于白坭河上游右岸某段，工程等別為Ⅳ，防洪標準為20a一遇。2005年始，作為北江大堤加固達標工程的一部分，對其進行綜合治理。堤圍斷面為斜坡式均質土堤，堤頂寬度6m，堤頂為瀝青混凝土路面，設計20a一遇水位7.23m。迎水坡設計一級平臺或采用1∶2.5預制混凝土六角塊護坡。背水坡坡比為1∶2.5，采用草皮護坡。

2011年1月堤段二級平臺出現(xiàn)了下陷及堤頂路面多處出現(xiàn)不規(guī)則裂縫情況，管理部門采用黏土回填對裂縫進行臨時處理，堤頂路面采用混凝土對堤頂裂縫進行臨時修復，同時將臨水側平臺上原有的桉樹全部砍掉，處理后裂縫寬度沒有再發(fā)展，2012年對險情段進行充填灌漿處理。

2021年5月，該堤段堤身又出現(xiàn)多處坑洞開裂情況，縫最寬處為1.1cm，隨后管養(yǎng)單位對堤防堤身坑洞、裂紋處及二級平臺進行換填土方工作，并進行觀察，未發(fā)現(xiàn)新的險情出現(xiàn)。2021年12月29日，巡查發(fā)現(xiàn)此堤段背水坡堤身出現(xiàn)一道長約12m左右縱向裂縫，之后進行回填臨時處理。2022年1月10日，巡查發(fā)現(xiàn)堤防堤頂路面(背水側)出現(xiàn)長度約80m左右裂縫，迎水側堤腳原換填土方位置也出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，排水處起拱折裂。

2 工程地質條件及地質問題

2.1 地質構造

工程區(qū)位于印支構造期的羅沅-大寨褶皺廣花復向斜間，構造形跡較復雜，褶皺主要有三水向斜和廣花復向斜。三水向斜軸向呈近 SN向，分布在該區(qū)西部，由古近系紅層組成；廣花復向斜軸向呈近SN、NNW走向，分布在東部，由三疊系和石炭系組成。區(qū)域性活動斷裂不發(fā)育，近工程區(qū)主要斷裂在全新統(tǒng)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。新構造運動的表現(xiàn)也不十分明顯，歷史地震和近代地震烈度都不超過6度，三水市南邊鎮(zhèn)于1997年9月下旬發(fā)生過3.9級地震。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)，Ⅱ類場地條件下工程區(qū)基本地震動峰值加速度為0.05g，反應譜特征周期0.35s，相應的地震基本烈度為6度。

2.2 地層巖性特征

工程區(qū)位于珠江三角洲的北緣，地形以沖積平原為主，周邊有零星低丘分布。區(qū)內地表主要被第四系覆蓋，堆積二元或多元結構松散層，上部黏性土，下部為砂礫層，沉積厚度15-30m。據(jù)鉆探揭露，工程區(qū)地層自上而下分布有：

①填土：以粉土、砂質黏性土為主，土質不均，密實程度不一，中-高壓縮性，前期除險加固進行過黏土充填灌漿處理，主要呈弱透水性。

②-1粉質黏土：灰黃色，可塑，局部軟塑，主要由粉黏粒組成，切面稍光滑平整，均勻性較好。該層具有中高壓縮性，承載力一般。

②-2淤泥、淤泥質土：位于粉質黏土層之下，與河床淤泥層相連通，層位穩(wěn)定，廣泛分布于工程區(qū)內，但厚度不均勻，揭露厚度0.60-5.10m。該層為軟土層，天然含水量高，液限較大，孔隙比大，具高壓縮性，承載力低，在上部荷載的作用下，易導致堤基沉降變形。

③-1粉質黏土、黏土：灰白色，花斑色，為更新統(tǒng)地層，可塑-硬可塑，土質較均勻，干強度高，局部含粉細砂。該層具中等壓縮性，承載力較高。

③-2含泥砂礫層：灰黃色，飽和，中密，以石英、長石為主，黏粒含量較高，級配一般，該層滲透性中等-強，承載力較高。

砂礫層下部除個別鉆孔揭露有紅褐色殘積粉質黏土外，大多直接揭露弱風化石灰?guī)r。殘積粉質黏土，可塑-硬可塑，黏性較好，具中等壓縮性，承載力較高，但遇水易軟化。

綜合考慮本堤段堤基地質結構為多層結構(Ⅲ類、黏淤砂結構)。主要巖土層物理力學參數(shù)見表1。

表1 各土層物理力學參數(shù)

2.3 水文地質條件

工程區(qū)地下水主要為第四系松散層孔隙含水層和石炭系灰?guī)r巖溶裂隙水?？紫逗畬又饕x存于沖積層的孔隙中，場區(qū)沖積層分布廣、厚度大，含水量豐富，分為孔隙潛水和孔隙承壓水?？紫稘撍癫剌^淺，地下水位隨季節(jié)而變化，與地表水有較好的水力聯(lián)系。地下水主要接受大氣降水的滲入補給或外圍含水層的側向補給，以逕流和蒸發(fā)方式排泄。孔隙承壓水含水層巖性為下部的含泥礫砂，泥質中粗砂等，滲透系數(shù)1.0m/d-100m/d(經(jīng)驗值)，由于上部存在相對隔水層而具弱承壓性，承壓水頭一般較低，與地表水水力聯(lián)系微弱。

巖溶裂隙水賦存在石炭系灰?guī)r溶洞等巖溶發(fā)育帶中，地下水富水程度明顯受巖溶發(fā)育程度的控制，由于灰?guī)r埋藏較深，巖溶裂隙水對該工程影響不大。

2.4 主要工程地質問題

根據(jù)勘察資料分析，工程區(qū)主要存在軟土引起的抗滑穩(wěn)定問題，其次為沉降變形、抗沖刷問題，滲漏及滲透變形問題較輕微。

1)抗滑穩(wěn)定問題：

堤基軟土層具高壓縮性，抗剪強度較低，靈敏度高，具有很強的結構性，一旦受到擾動，其強度將迅速降低。室內試驗測得其無側限抗壓強度35.7-52kPa，平均值為44kPa，換算得不排水抗剪強度Cu=22kPa。由路基設計相關公式(Hc=5.52Cu/γ)估算堤基臨界填筑高度為6.56m?，F(xiàn)狀堤身一般高度6-7m，且現(xiàn)狀堤防已產(chǎn)生向河水流方向的圓弧形滑動變形，故存在抗滑穩(wěn)定問題。堤身臨水側需采取抗滑措施，建議設計對堤基整體抗滑穩(wěn)定性進行復核。

2)沉降變形問題：

堤基存在淤泥質土，為軟土層，天然含水量高，孔隙比大，壓縮系數(shù)較大，具高壓縮性，工程特性差。但堤防已經(jīng)過多年運行，堤基的軟土層受上部荷載經(jīng)年累月的堆壓，已達到一定固結度，主固結沉降已完成，在堤身不加高培厚的情況下，堤基仍存在一定的沉降變形問題，但沉降量不大，不會破壞堤防的整體性。

3)抗沖刷問題：

堤外水流復雜，無外灘，堤外坡直接臨水，水下岸坡由軟土組成，抗沖流速低，在水流對岸坡沖刷、浪蝕作用下，尤其是巨大浪襲沖擊作用下，可能于坡腳處形成沖刷坑，產(chǎn)生臨空面，而導致側滑破壞，從而進一步對堤防造成破壞。

4)滲漏及滲透穩(wěn)定問題：

堤基存在中等-強滲透性的砂礫層，為主要透水層，但該層埋深較大，上覆淤泥、淤泥質土、粉質黏土層，可視為相對隔水層，分布穩(wěn)定，現(xiàn)狀實際運行中沒有滲漏-滲透穩(wěn)定險情，故堤基不存在滲漏及滲透穩(wěn)定問題。

3 險情成因分析及驗證

3.1 險情成因分析

由于下游航道通航清淤，白坭河河道自然演變，河床受到?jīng)_刷影響，河床底部高程降低約0.5-1.0m，對堤身穩(wěn)定不利。本次險情出現(xiàn)時，恰逢60年來最嚴重旱情，上游來水少，白坭河長時間低于原設計枯水期水位運行，堤身浸潤線發(fā)生變化，導致堤身上部分土體容重增加，影響土堤邊坡穩(wěn)定。

由于軟土強度低，且在堤基廣泛分布，堤外無灘，無防護措施，當?shù)添斢写竺娣e堆載或載重車輛通行時，由于荷載增長過快，堤基土體沿某一滑動面產(chǎn)生滑動變形，或將堤基軟土層從側向擠出，導致土體剪切破壞[5]。

據(jù)現(xiàn)場查勘，該堤段堤頂裂縫為縱向拉張裂縫，延伸較長，平行裂縫方向迎水側路面下沉，可推斷為向臨水側牽引式滑動變形，其滑動面雛形可能為圓弧形，底滑面-剪出口在軟土層中，后緣最大側滑面位于堤頂內側拉張裂縫。

車輛超載及堤身下部軟塑狀淤泥質土層是產(chǎn)生堤防裂縫的主要原因，次要原因為地下水滲流等。

3.2 軟件模擬

明確滑動的原因及類型后，要確定滑動面位置，滑動面的上口就是堤頂出現(xiàn)的裂縫或陡坎，滑動面底部裂縫或隆起體最頂部就是滑動面的下口[6]。本次選用Geo-Studio軟件，進行穩(wěn)定分析。

Geo-Studio 軟件為國際巖土界享有盛名的 Fredlund 教授從 20 世紀 70 年代開始研發(fā)，目前已成為世界級的邊坡穩(wěn)定性分析和非飽和滲流、地震動力響應方面的專業(yè)軟件[7]。針對現(xiàn)狀工況下的荷載組合，利用本次勘察取得的土層物理力學參數(shù)，選擇有代表性的斷面，用瑞典圓弧法進行堤防整體穩(wěn)定計算[8]，計算結果見圖1：

經(jīng)對比，滑動面上口位置與堤頂裂縫出現(xiàn)的位置基本一致，基本可認為穩(wěn)定計算模型是可靠的。

3.3 滑動計算成果分析

利用該模型針對臨水側邊坡在不同工況下的荷載組合，進行穩(wěn)定計算，結果見表2。

分析結果可知，該段堤防在各工況下介于不穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)，不滿足規(guī)范安全系數(shù)要求。通過分析計算成果得出，影響堤身穩(wěn)定的主要因素在于堤基巖土物理力學特性和堤身內外水位的變化上，河道水位降低對堤身穩(wěn)定影響明顯，二級平臺桉樹自重載荷對堤身穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小。此外，堤頂荷載對堤身穩(wěn)定也有較大影響。

4 除險加固方案比選

當邊坡出現(xiàn)穩(wěn)定問題時，采用排水、削坡等措施不足以完全治理，采用抗滑樁整治邊坡，往往因其施工簡單、速度快、工程量小等優(yōu)點，而被廣泛應用[9]。針對本次險情，根據(jù)裂縫成因分析及Geo-Studio軟件模擬的滑動面位置，提出以下除險加固方案。

方案1：堤腳采用雙排預制樁抗滑，排距2.0m，樁頂高程5.0m，與現(xiàn)狀桉樹林平齊，樁長13.5m，前排為U型板樁，間距1m密排，后排為PHC500管樁，間距2.0m，雙排樁排距3.0m，上部設C30鋼筋混凝土連系梁將其連接為整體。

方案2：堤腳采用鋼筋混凝土灌注樁抗滑，樁頂高程5.0m，樁長16.0m，樁徑φ1000，間距1.1mm，后側采用長6m的D600高壓旋噴樁作為止水帷幕，上部設C30鋼筋混凝土冠梁將其連接為整體。

經(jīng)技術、經(jīng)濟、施工等方面進行對比論證，預制樁成樁速度快，樁身質量易于控制，板樁出露部位美觀，受水體影響較小，最終選取方案1作為本工程堤防加固方案。

5 結 語

文章基于白坭河某堤段搶險工程實例，通過分析堤頂裂縫成因，給出加固方案。通過研究分析，得出主要結論如下：

1)堤身穩(wěn)定的主要因素為堤基巖土物理力學特性、堤身內外水位變化以及堤頂荷載。

2)抗滑樁型式要從技術、經(jīng)濟、施工等多方面論證，根據(jù)工程實際選擇。長度設置要合理，應穿過滑動面進入持力層一定長度。