北沙河堤防裂縫與塌陷對堤防安全影響分析

沈碧哲

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110007)

產(chǎn)生裂縫對堤防的安全有極大影響，伴隨雨水入滲，裂縫將繼續(xù)擴(kuò)大，甚至于造成大堤的崩塌；這種情況，在汛期或發(fā)生大洪水時，伴隨著土體自身強(qiáng)度下降，裂縫對堤防的穩(wěn)定性影響將會更大，后果難以估計。由此可見，在分析裂縫的形成原因的基礎(chǔ)上，有效的防治對策對存在裂縫的堤防至關(guān)重要。

1 工程概況

目前北小河堤頂寬2.5～4m，堤高一般4～5m，堤底寬約30m，堤防背水坡坡度為1∶1.5～1∶2.5，迎水坡坡度為1∶2.5～1∶3.5，堤身主要組成為黏性土、粉土及中砂，堤基從上至下分別為粉土、黏性土、中砂。

2017年4月，在巡視中發(fā)現(xiàn)：迎水面、堤頂以及堤腳外30m范圍內(nèi)的防護(hù)林內(nèi)有多處不同規(guī)模的裂縫和塌陷。當(dāng)時采取了表部挖填、覆蓋防滲膜等應(yīng)急處理方式，汛期未發(fā)生較大規(guī)模的險情。2018年4月，發(fā)現(xiàn)裂縫、塌陷發(fā)展迅速，遠(yuǎn)較上一年嚴(yán)重。堤防左右岸均存在裂縫，長度分別為5.2km和5.5km，合計10.7km。在裂縫附近的防滲措施大多失效，部分裂縫處伴有塌陷，受裂縫影響防滲膜也多被拉裂。

北小河出現(xiàn)裂縫的堤防主要集中在沈半線橋下至小東山堡村段，該段兩岸有較廣的耕地、較密集的人口，且該區(qū)域內(nèi)有多條重要交通線路經(jīng)過。為確保人民生命財產(chǎn)安全，在汛期前應(yīng)及時處理裂縫與塌陷問題。

2 現(xiàn)場情況調(diào)查與勘測

2.1 地面調(diào)查情況

本段堤防總長度約10.7km，其中，約7.8km分布裂縫及塌陷。裂縫與塌陷(坑)主要發(fā)現(xiàn)于堤身、堤外樹林中，與堤腳距離多小于50m，局部地面表現(xiàn)為串珠狀塌坑。

裂縫與塌陷(塌陷按其長邊方向與堤線的關(guān)系)走向以平行(縱向)和垂直(橫向)于堤防走向為主，局部與堤防走向斜交。

調(diào)查點編號原則：裂縫斷續(xù)分布，但在一條直線上的，按1處計；塌陷(坑)呈串珠狀的，按1處計；部分裂縫相交或與相鄰裂縫、塌陷(坑)很近的，按1處計；相對距離較遠(yuǎn)的、獨立的裂縫或塌陷(坑)，單獨按1處計。按上述方法和統(tǒng)計，本次工作共發(fā)現(xiàn)250處裂縫與塌陷，最大可視深度約1.6m，其中塌陷(坑)的最大寬度約2.3m，裂縫最大長寬分別為113m和1.6m。裂縫與沉降現(xiàn)象在附近村鎮(zhèn)中也有出現(xiàn)。

2.1.1右岸地裂縫分布與基本特征

右岸堤防裂縫與塌陷(坑)分5種情況統(tǒng)計，其中：

(1)右岸堤內(nèi)公路裂縫。發(fā)現(xiàn)裂縫43條，長度一般為7m，裂縫最大寬度3cm。多與路走向垂直。

(2)右岸堤防貫穿性橫向裂縫。發(fā)現(xiàn)貫穿性橫向裂縫37條，主要在臨水坡堤身、堤外防護(hù)林內(nèi)發(fā)現(xiàn)。地面可見最大長度約20m，最大寬度1.5m，最大深度0.9m。

(3)右岸堤外橫向裂縫。發(fā)現(xiàn)橫向裂縫28條，塌陷(坑)8處，主要在臨水坡堤外防護(hù)林內(nèi)發(fā)現(xiàn)。裂縫地面可見最大長度約18m，最大寬度1.5m，最大深度0.9m；塌陷(坑)可見最大長度約5m，最大寬度2m，最大深度1.6m。

(4)右岸縱向裂縫。發(fā)現(xiàn)縱向裂縫45條(堤外44條，堤內(nèi)1條)，塌陷(坑)8處，主要在臨水坡堤外防護(hù)林內(nèi)發(fā)現(xiàn)。裂縫地面可見最大長度約83m，最大寬度0.9m，最大深度1.1m；塌陷(坑)最大可見長度約2.2m，最大寬度0.7m，最大深度0.7m。

(5)右岸堤外發(fā)現(xiàn)斜向裂縫3條，地面可見最大長度14m，最大寬度0.4m，最大深度0.7m。

2.1.2左岸地裂縫分布與基本特征

左岸堤防裂縫與塌陷(坑)分4種情況統(tǒng)計，其中：

(1)左岸堤防貫穿性橫向裂縫、塌陷。發(fā)現(xiàn)貫穿性橫向裂縫20條，塌陷(坑)4處，主要在臨水坡堤身、堤外防護(hù)林內(nèi)發(fā)現(xiàn)，背水坡一側(cè)僅局部發(fā)現(xiàn)。地面可見最大長度約25m，最大寬度1.1m，最大深度1.3m。塌陷(坑)最大長度約2m，最大寬度2m，最大深度1.3m。

(2)左岸橫向裂縫、塌陷。發(fā)現(xiàn)橫向裂縫26條，塌陷(坑)12處，主要在臨水坡堤外防護(hù)林內(nèi)發(fā)現(xiàn)。裂縫地面可見最大長度約30m，最大寬度1.6m，最大深度1.5m；塌陷(坑)最大長度約3.5m，最大寬度1.8m，最大深度1.6m。堤身還發(fā)現(xiàn)兩處獾子洞，寬0.2～0.3m，進(jìn)深分別為1.4m和2.4m。

(3)左岸縱向裂縫、塌陷.發(fā)現(xiàn)縱向裂縫23條(堤外20條，堤內(nèi)3條)，塌陷(坑)3處，主要發(fā)現(xiàn)在臨水坡堤外防護(hù)林內(nèi)。裂縫地面可見最大長度約113m，最大寬度1.0m，最大深度0.9m；塌陷(坑)最大長度約2m，最大寬度2m，最大深度1.2m。

(4)現(xiàn)斜向裂縫12條，主要在臨水坡堤外防護(hù)林內(nèi)發(fā)現(xiàn)。地面可見最大長度8m，最大寬度0.7m，最大深度0.6m。

2.2 物探

2.2.1采煤邊界探測

本次工作采用大地電磁法(EH4)對某礦開采區(qū)的采煤邊界進(jìn)行了物探復(fù)核。探測結(jié)果表明，物探測得的采區(qū)邊界與礦區(qū)提供的采煤邊界基本吻合。

2.2.2堤防附近裂縫塌陷探測

本次工作采用高密度電法，對堤防迎水面堤腳附近地面下30m范圍內(nèi)進(jìn)行探測，根據(jù)物探成果，地下水位以上(6m)范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)明顯閉合圓形態(tài)的點狀高電阻率異常，推測地下水位以上(6m)測線范圍內(nèi)地下無大范圍塌空、空隙區(qū)；地下水位以下(6～30m)，全部處于覆蓋層內(nèi)(100m)，由于受到地下水的影響，不同巖性土層的電阻率差異不大，對電阻率值相對較高和較低位置分別進(jìn)行了打鉆驗證，結(jié)果表明其電阻率差異主要由上層粉質(zhì)黏土(0～10m)的導(dǎo)電性差異引起，未發(fā)現(xiàn)明顯空洞、空隙區(qū)。建議對高密度電法測線地下水位以下部分(6～30m)，結(jié)合地質(zhì)資料和塌陷、塌空機(jī)理進(jìn)行綜合分析。

2.3 坑探與鉆探

2.3.1坑探

本次工作在堤外距離堤腳30m范圍內(nèi)布置探槽12條，探槽長度3～9m，寬度0.6～1.5m，深度1.1～2.6m。成果表明：

(1)堤腳地裂縫向下發(fā)現(xiàn)深度一般1～2.5m，縫寬自上而下逐漸變窄直至消失(肉眼不可辨)，除地表調(diào)查的深度內(nèi)無充填外，向下多有充填，充填物多為地表干土。

(2)堤腳獨立塌陷(坑)和串珠狀分布的塌陷(坑)多發(fā)現(xiàn)在表層厚0.5～1.0m的粉土層中，下部多為硬塑-可塑的粉質(zhì)黏土層，層中未見明顯塌陷現(xiàn)象，串珠狀塌陷(坑)之間亦未見明顯的連通裂縫。局部塌陷(坑)處，地表以下0.7～1.0m深度范圍內(nèi)有層狀塌落形成的空腔(空腔上部巖性為灰黑色粉質(zhì)黏土)?？梢娝?坑)的影響深度范圍一般在1m左右。

2.3.2鉆探

本次工作布置鉆探孔2個，鉆孔位置按高密度電法確定的堤腳下堤基高阻異常區(qū)和低阻區(qū)布置。

鉆探成果表明：

(1)堤基地層巖性主要為表層約1m厚粉土層、下部其余細(xì)粒土層主要為黃褐色-灰色可塑狀粉質(zhì)黏土、灰色軟塑狀粉質(zhì)黏土。細(xì)粒土層下部主要為密實狀的中砂層，其厚度一般大于5m，砂中多夾有黏性土薄層。

(2)工程區(qū)地下水位埋深在6～7m，為承壓水，含水層為中砂層。

(3)物探指示的異常電阻區(qū)在地表2.5～6m深度內(nèi)未見明顯的裂縫、塌陷(坑)痕跡以及明顯的松散土層。

2.4 現(xiàn)場滲水試驗

現(xiàn)場在堤身、堤腳的裂隙和塌陷處進(jìn)行滲水試驗。試驗表明：

(1)被松散細(xì)粒土充填的裂隙、塌陷(坑)在浸水條件下，滲透性有逐漸變大和充填的土體顆粒有被帶走并產(chǎn)生持續(xù)塌陷的現(xiàn)象。

(2)被細(xì)粒土充填的裂隙、塌陷(坑)在浸水條件下，滲透性變大現(xiàn)象不明顯，同時在水流滲流作用下塌陷現(xiàn)象不明顯。

總體來看，堤身的裂縫、塌陷(坑)充填物更松散，深度大時，在水流滲流作用下極易發(fā)生滲流破壞；堤腳被充填的裂縫由于堤基土體本身壓力和可塑狀土的自密作用，其下部充填土在密實性上較好，在水流作用下一般不致發(fā)生滲流破壞。

3 對堤防安全影響分析

3.1 裂縫與塌陷對堤身的影響

堤身裂縫以橫向為主，裂縫兩側(cè)土體多呈松散狀態(tài)。汛期時，受流水沖刷影響，裂縫加大的同時，流水逐漸沖毀堤防，對堤身產(chǎn)生不利影響。

塌陷是有空洞的堤身或堤基內(nèi)土體繼續(xù)塌落厚形成，在汛期時，對滲透破壞產(chǎn)生不利影響，若形成水流管道長久發(fā)展，堤防有沖毀風(fēng)險。

3.2 裂縫與塌陷對堤基的影響

堤基周圍裂縫的兩側(cè)土體以較松散狀態(tài)為主，汛期時，裂縫中流水加快，更易沖刷破壞，在水流持續(xù)不斷沖刷作用下，裂縫寬度不斷加大，任其發(fā)展會產(chǎn)生堤身塌陷，隨著堤防水位變高，堤防穩(wěn)定性極低，有潰堤風(fēng)險。

在堤腳部位的縱向裂縫和塌陷，汛期時，堤基順裂縫滲透破壞極易發(fā)生，任其發(fā)展則長條形塌陷大概率出現(xiàn)在堤腳處，若堤內(nèi)水位高，堤防呈長段狀潰堤的風(fēng)險極大。

3.3 裂隙與塌陷的分類及應(yīng)急處理建議

根據(jù)上述堤防裂縫和塌陷的特征及對堤防工程的影響，為保證堤防安全度汛，對裂縫和塌陷提出如下分類原則和不同應(yīng)急處理建議。

A類：未被細(xì)粒土充填的貫穿堤防的裂隙，建議進(jìn)行鉆孔灌注黏土漿液或鋪蓋防滲膜；堤身兩處獾子洞建議一并處理。

B類：堤身、堤腳外發(fā)現(xiàn)深度較大、嚴(yán)重危害堤身(或堤基)安全穩(wěn)定的裂縫，建議開挖一定深度后用黏性土進(jìn)行回填壓實處理，處理深度1.5～2.0m，同時建議根據(jù)開挖鑒定的現(xiàn)場裂縫延伸情況進(jìn)行適當(dāng)延伸。

C類：堤身塌痕不明顯、堤腳外發(fā)現(xiàn)深度較小，對堤身(或堤基)安全穩(wěn)定影響相對較小的裂縫，建議進(jìn)行開挖回填黏性土壓實處理，處理深度按1.0m考慮。

D類：公路路面裂縫、經(jīng)回填壓實處理后未重新發(fā)展的地裂縫、距離堤腳較遠(yuǎn)的地裂縫，建議加強(qiáng)變形觀測，暫不進(jìn)行處理。

經(jīng)分類統(tǒng)計，本次防洪應(yīng)急度汛建議進(jìn)行處理的裂縫、塌陷(坑)數(shù)量見表1。

表1 建議汛前信息統(tǒng)計表

4 結(jié)語

本文依托北沙河安全評價實例，通過多種手段，對某堤防的安全性進(jìn)行了分析，根據(jù)本工程情況提出分類標(biāo)準(zhǔn)，針對性提出處理不同類型裂縫方案，取得了較為理想的效果。對于不同的堤防安全性分析及針對性防護(hù)具有借鑒意義。但仍有如下不足需要優(yōu)化：

(1)不同工程情況多有差異，需進(jìn)一步對比各個因素對分類標(biāo)準(zhǔn)的影響權(quán)重，在日后工作中可結(jié)合大量類似工程數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，把分類標(biāo)準(zhǔn)與工程實際密切結(jié)合。以便更好地解決堤防裂縫與塌陷對堤防安全影響分析問題。制定更為合適的防治對策。

(2)如何將本文中方法與其他已有方法對比驗證，結(jié)合使用，需做進(jìn)一步研究。