基于GeoStudio的堤防加固邊坡穩(wěn)定處理方案研究及應(yīng)用

何 彬

(湖南省水利水電勘測設(shè)計規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007)

1 研究背景

洞庭湖區(qū)重點垸，是長江流域綜合防洪保安體系的重要組成部分。其保護面積6596.78km2，耕地面積534.44萬畝，占湖區(qū)耕地面積2/3；人口560多萬，超湖區(qū)人口一半。現(xiàn)有一線堤防總長1221km，經(jīng)多次治理，防洪能力有所提升。但由于堤身主要為混合沉積土堆筑而成、土壤性質(zhì)混雜，填土不均勻碾壓不實；堤基5～15m厚度主要為黏土、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉細砂等雜亂的松軟堆積層；限于過去堤防建設(shè)標準仍低、治理技術(shù)有限，加之近年超標準洪水工況頻頻發(fā)生，堤防超負荷運行，險情易發(fā)多發(fā)，防洪安全難以得到保障，亟需系統(tǒng)加固達標。就歷年堤坡失穩(wěn)方面成因分析，主要有滲流影響、河湖水流沖刷侵襲、堤身堤基地質(zhì)問題等。

目前湖區(qū)堤防邊坡加固方法主要包括削坡放緩減載、坡面坡腳防護、灌漿補強、反壓平臺、深層攪拌法和混凝土抗滑樁等[1-4]。常用方法基本原理介紹如下：①坡面坡腳防護是綜合考慮邊坡河床地形、水流沖刷強弱、風浪作用邊界條件，采用漿砌石、混凝土或生態(tài)護坡，和拋石、鋼絲網(wǎng)石籠、土工織物墊層等護腳的一種防護措施。②灌漿補強法是局部加固堤壩的一種方法，施工簡便成本低，通過注入黏土漿、水泥漿、水泥砂漿、硅化漿液等固化劑至洞穴、裂縫、空隙、土層孔隙中進行充填密實，起到增強堤壩強度、防滲等作用。③深層攪拌法是利用水泥、石灰等材料作固化劑的主劑，通過深層攪拌機械，在地基深處就地將固化劑和土體強制攪拌，利用其間所產(chǎn)生的一系列物理化學反應(yīng)，硬結(jié)成具有整體性、穩(wěn)定性和一定強度的良好復(fù)合地基。④反壓平臺法是一種利用土、砂、砂礫石、塊石等源材料在堤腳處填筑鎮(zhèn)壓臺的方法，形成反壓荷載，提高地基抗滑力，防止地基土側(cè)向擠出而破壞，增加堤壩的穩(wěn)定性。各邊坡加固方法的應(yīng)用，應(yīng)因地制宜，根據(jù)當?shù)氐牡刭|(zhì)、河勢、險情、歷史等條件，適應(yīng)堤防工程建設(shè)的需要。

2 計算理論與方法

2.1 理論依據(jù)

堤防邊坡抗滑穩(wěn)定采用基于極限平衡理論的瑞典圓弧法或簡化畢肖普法，不同方法采用相應(yīng)地穩(wěn)定安全系數(shù)[5]。施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可采用總應(yīng)力法，土的強度指標采用快剪指標；穩(wěn)定滲流期應(yīng)采用有效應(yīng)力法，土的強度指標采用慢剪指標；外水位降落期可同時采用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法，土的強度指標分別采用慢剪和固結(jié)快剪指標。本文堤防加固邊坡穩(wěn)定計算，采用更符合實際的簡化畢肖普法。該法考慮了所有的力矩平衡條件和土條間法向力，結(jié)合摩爾庫侖抗剪強度準則，計算出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值。

2.2 數(shù)值分析軟件

GeoStudio仿真軟件由加拿大GEO-SLOPE公司開發(fā)，其SLOPE/W模塊是使用極限平衡理論進行建模分析，嵌套了Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-Price等分析方法。該軟件可在求解區(qū)域上直接定義模型的邊界條件和材料屬性，幾何模型更新時模型屬性不需再次輸入，定義操作簡單；具有強大的耦合分析功能，材料模型可應(yīng)用于其他模塊；并能準確、快速地求解出巖土邊坡最小安全系數(shù)和最危險滑動面位置。SLOPE/W模塊操作流程，由DEFINE(模型建立、材料本構(gòu)、邊界條件、工況分析)、SOLVE和CONTOUR(查看滑移面和土條信息、繪制結(jié)果曲線圖、生成計算書)3大部分組成[6-7]。

3 工程實例應(yīng)用

3.1 工程概況

洞庭湖區(qū)重點垸堤防加固一期工程，為近年國家150項重大水利工程之一，是完善洞庭湖區(qū)防洪體系的關(guān)鍵舉措。該工程涉及松澧、安造、沅澧、長春、爛泥湖、華容護城垸6個垸，一線防洪大堤總長658km。經(jīng)調(diào)研統(tǒng)計，迎流當沖、浪蝕嚴重堤長74km；深泓逼岸、堤腳沖刷嚴重、發(fā)生崩岸、滑坡險情堤長112km；堤基為深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土堤長5.65km；白蟻危害嚴重堤長157km。結(jié)合洞庭湖區(qū)堤防綜合治理經(jīng)驗，現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)復(fù)核滿足規(guī)范要求卻存在險情，通常采用護坡、護腳和灌漿補強進行加固。安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求則需采取深層攪拌法、反壓平臺法等措施進行處理。

3.2 堤防邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定復(fù)核

表1 安造垸K27+000～K28+000堤段設(shè)計水位

表2 安造垸K27+000～K28+000堤段物理力學指標

本段選取具有代表性的K27+097、K27+614.9斷面，運用SLOPE/W模塊進行復(fù)核計算，成果見表3。由表3可知，典型斷面外坡穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，應(yīng)采取加固處理措施。

表3 堤防典型斷面抗滑穩(wěn)定復(fù)核成果(現(xiàn)狀)

3.3 加固處理方案研究

堤段所屬河段相對順直，無明顯外灘，堤坡與岸坡合二為一，整體呈上陡下緩狀，岸坡高7.0～9.5m，岸坡坡比1∶2.3～1∶3.5。其地質(zhì)結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)類，堤基粉細砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層厚超5m，力學強度低，抗沖刷、抗剪能力弱。松滋河?xùn)|支一次洪水過程長達30d以上，洪水峰型矮胖，漲落較緩慢，設(shè)計洪水位驟降速率0～0.3m/d。汛期外河高洪水位持續(xù)時間長，流量流速增大，洪水頂沖，風浪沖刷，存在崩岸險情。退水時堤防上部粘性土處于穩(wěn)定的飽和狀態(tài)，臨水側(cè)可能出現(xiàn)反向滲透現(xiàn)象，亦會降低邊坡的穩(wěn)定性。經(jīng)勘察，土料場可取至本河段的附近洲灘，開采近且運輸方便；塊石料場較遠，運距超過130km；水泥可從安鄉(xiāng)縣城購買。結(jié)合堤段以上客觀條件，針對外坡不滿足規(guī)范要求，參照湖區(qū)類似工程經(jīng)驗，在黏土灌漿充填裂縫和預(yù)制塊護坡加固措施基礎(chǔ)上，擬定如下3種加固處理方案。

3.3.1拋石反壓平臺方案

滿足規(guī)范要求前提下，運用SLOPE/W模塊，進行反演分析并優(yōu)化，在堤頂以下約8.5m位置設(shè)置12m寬拋石反壓平臺，拋石外坡比1∶2，內(nèi)摩擦角取32°。為適應(yīng)水深流急的水力邊界條件，提升整體性和抗沖性能，反壓平臺設(shè)計外坡下設(shè)1m厚的鋼絲網(wǎng)石籠代替拋石進行防護。為有效地防止河床岸坡處粉細砂堤基被淘刷，及影響拋石平臺的穩(wěn)定與加固效果，拋石前應(yīng)先鋪設(shè)一層聚丙烯無紡?fù)凉げ?，水下部分施工由潛水員潛水固定，如圖1所示。

圖1 拋石反壓平臺方案典型斷面圖

采取拋石反壓平臺設(shè)計方案，經(jīng)復(fù)核計算，典型斷面抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)規(guī)范要求。拋石可在水上施工，操作簡單、工藝成熟、見效快，質(zhì)量保證度高，后期維修費用較少。但將占用一定河道行洪面積，對外河行洪有影響；石方量達46m3/m，因工程區(qū)塊石料源較遠，拋石單價高。在技術(shù)上，應(yīng)做好拋石段測量工作，拋石范圍邊界處設(shè)置標桿，嚴格按坐標網(wǎng)格拋投；鋼絲網(wǎng)石籠要求選用防腐處理后編織而成高強鋼絲，岸邊裝填成籠后吊裝拋投，填石、鋼絲技術(shù)參數(shù)應(yīng)按設(shè)計要求嚴格把控。

3.3.2填土反壓平臺方案

填土反壓平臺在最危險滑弧逆向段范圍設(shè)置，考慮到松滋河?xùn)|支施工設(shè)計水位高于部分平臺填土高程，平臺填筑前應(yīng)修筑臨時圍堰。本堤段外河圍堰地基為粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，采用均質(zhì)黏土圍堰。結(jié)合導(dǎo)流時段施工計劃，經(jīng)滲流和堤坡穩(wěn)定計算，堰頂寬4m，內(nèi)外坡比為1∶2。邊坡加固后圍堰需拆除，拆除料部分可利用至本工程建筑物回填，棄料運輸棄至大堤內(nèi)側(cè)水塘棄渣。運用SLOPE/W模塊，進行優(yōu)化設(shè)計，在堤頂以下約8.5m位置設(shè)置12m寬黏土反壓平臺，分層填筑，外坡1∶2。為防止平臺外坡遭受河水沖刷危害，設(shè)計外坡下設(shè)1m厚的鋼絲網(wǎng)石籠，其下鋪設(shè)聚丙烯無紡?fù)凉げ?，如圖2所示。

圖2 填土反壓平臺方案典型斷面圖

按以上設(shè)計方案進行堤防邊坡加固，典型斷面邊坡穩(wěn)定抗滑經(jīng)復(fù)核計算滿足規(guī)范最低安全系數(shù)要求。該方案修筑圍堰后，整個反壓平臺均可于干地進行施工，質(zhì)量容易控制，且可就地取材，施工方法較簡單。填土可利用土、砂、砂礫石、石渣。同樣會占用河道影響行洪，且填筑土方利用量大(達88m3/m)，碾壓填筑受天氣影響。另外，堤防邊坡較高，施工面有限；且圍堰修筑難度較大，雨期基坑內(nèi)需不斷排水，增加了施工難度和費用。

3.3.3水泥土抗滑樁方案

基于SLOPE/W模塊的計算和設(shè)計優(yōu)化，在堤頂以下約8.5m位置設(shè)計7排水泥土攪拌抗滑樁，樁徑0.5m，間、排距為1m，梅花型布置，樁底部穿過安全系數(shù)最小滑弧以下不小于1m。施工過程中水泥土攪拌樁頂處構(gòu)造10m寬臨時施工平臺，采取半開挖半回填的方式，開挖坡比1∶1，填筑坡比不陡于1∶1.5?？够瑯妒┕ね瓿珊髮⑵脚_的填筑土料回填至堤防開挖處，恢復(fù)原堤坡安全坡比。樁體設(shè)計水泥摻和量20%，復(fù)合地基土層的抗剪強度指標取樁、土形成的復(fù)合地基的加權(quán)平均值。

為滿足水流作用坡腳抗沖穩(wěn)定和便于施工要求，經(jīng)拋石粒徑大小計算，拋石平均粒徑0.3m，護岸坡度1∶2，平臺寬2m。護岸范圍上端至設(shè)計枯水位以上0.5m，下端若深泓逼岸，則達深泓；若深泓離岸，則拋至河底坡度為1∶3～1∶4處，拋石最小拋石厚度1m，設(shè)備填石W=3m3/m和接坡石1m3/m。粉細砂出露段先鋪設(shè)聚丙烯無紡?fù)凉げ迹c坡面土體緊貼，如圖3所示。

圖3 水泥土抗滑樁方案典型斷面圖

經(jīng)復(fù)核驗算，采取深層攪拌法方案(即水泥土抗滑樁)后，堤段邊坡穩(wěn)定安全滿足規(guī)范要求。國內(nèi)近年來基本上以水泥作為深層攪拌的固化劑，這種施工技術(shù)在處理軟基中已得到廣泛的應(yīng)用，尤其在砂性土中，加固效果理想；且樁體強度形成快，施工周期短。水泥土抗滑樁施工質(zhì)量要求較高，應(yīng)嚴格按設(shè)計要求執(zhí)行，以達到預(yù)期效果。該方案單樁樁深小于13m，工程量小，可大大節(jié)省投資。

鑒于以上3個加固方案情況，通過綜合比較，水泥土抗滑樁方案具有技術(shù)上更為合理，經(jīng)濟上優(yōu)越等特點，安造垸K27+000～K28+000堤段邊坡加固設(shè)計以水泥土抗滑樁方案作推薦方案。

4 結(jié)語

軟基加固、滑坡塌岸治理、坡面坡腳防沖為堤防邊坡加固建設(shè)中的重要工程內(nèi)容，加固方法多種多樣，各有優(yōu)劣[1-10]。本文運用GeoStudio工具，以洞庭湖區(qū)重點院堤防為例，研究邊坡加固處理方案，得出以下結(jié)論。

(1)堤防邊坡加固方案的確定，應(yīng)因地制宜，綜合分析工程區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)、料場來源、施工條件、工程技術(shù)、環(huán)境影響、資金來源等多方面因素，充分比選，真正做到技術(shù)可行、經(jīng)濟合理。

(2)進行了詳細的堤防勘測和現(xiàn)場調(diào)研工作，反復(fù)核實水文、地質(zhì)險情資料，全面科學分析險情成因，合理確定加固堤段范圍，優(yōu)選加固方案，總結(jié)邊坡穩(wěn)定加固技術(shù)問題，供類似水利工程參考。

(3)GeoStudio軟件操作簡便，運行速度快，能根據(jù)方案模型的優(yōu)化、物理力學參數(shù)的調(diào)整和邊界條件的改變，及時、準確、快速地進行堤防邊坡穩(wěn)定計算，縮短了工程設(shè)計周期。

(4)工程實施建議加強堤防工程邊坡安全監(jiān)測設(shè)計和管理，監(jiān)測堤身浸潤線、外河水位、沉降變形等內(nèi)容，自動采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時反饋監(jiān)測分析結(jié)果，做好預(yù)報預(yù)警工作和邊坡穩(wěn)定后評價。