堤防工程軟基處理及效果分析

孫麗娜,方 艷

(1.寶泉嶺墾區(qū)水利勘測設計有限責任公司,黑龍江 寶泉嶺 154211;2.寶泉嶺農場水務局,黑龍江 寶泉嶺 154211)

軟黏土中最常見的、工程地質性質最差的要數(shù)淤泥或淤泥質土。通常工程上把天然孔隙比≥1.5的亞黏土、黏土稱為淤泥,而把孔隙比 ＞1.0、＜1.5的黏土稱為淤泥質黏土。在沿海、河流的中下游或湖泊附近地區(qū),地表下埋藏有深厚的第四紀松軟覆蓋層。其接近地面部分經常遇到的地基為軟黏土、淤泥、淤泥質土或粉砂夾淤等等。在軟黏土地基上建造水工建筑物,很可能會使地基破壞或產生過大的沉降量和沉降差,不能滿足建筑物的設計要求,工程上必須考慮對地基進行處理。

1 基本情況

梧桐河防洪治理工程于 1999年、2001年、2003年分 3期實施,建設梧桐河城區(qū) 6+000～10+177段左岸堤防、北河(梧桐河一級支流)城區(qū) 0+200～4+710段右岸堤防,總長9.08 k m。工程設計防洪標準為30 a一遇洪水,相應洪水流量:梧桐河為1 255m3/s,梧桐河設計河床寬度分別為140 m。堤防斷面為梯形,堤身采用砂礫料堆筑,梧桐河堤防高3.8m,安全超高1.3 m,迎水坡坡比 1∶1.5,背水坡坡比 1∶2,每20 m留伸縮縫一道。堤防工程級別為三級,建筑物等級為四級。

2 軟土地基上堤防失穩(wěn)的破壞機理

引起軟土地基上堤防滑動破壞的根本原因,在于軟弱地基中某個面上的剪應力超過了它的抗剪強度,穩(wěn)定平衡遭到破壞。主要有兩方面因素:一是由于剪應力的增加,例如大堤施工中上部填土何重的增加;降雨使土體容重增加;水位降落產生滲流力;地震、打樁等引起的動荷載等。二是由于軟土地基本身抗剪強度的減小。例如孔隙水應力的升高;氣候變化產生的干裂、凍融;黏土夾層因浸水而軟化以及黏性土的蠕變等。

對堤防工程進行穩(wěn)定分析時,通常是將假想滑動面以上土體看作剛體,并以它為脫離體,分析在極限平衡條件下其上各種作用力,并以整個滑動面上的平均抗剪強度與平均剪應力之比來定義它的安全系數(shù),即:

式中:F為堤防穩(wěn)定安全系數(shù);T f為滑動面處土體的平均抗剪強度;Fn為作用于滑動面上的平均剪應力。

F n＞1土體處于穩(wěn)定狀態(tài);F n＜1土體處于滑動狀態(tài)或有滑動的趨勢;F n=1,土體處于臨界狀態(tài)。因此,要使處于滑動狀態(tài)或有滑動趨勢的土體達到穩(wěn)定狀態(tài),必須 F n＞1(堤防工程等級不同,F n取值也不同,通常在 1.05～1.30),通常有兩種方法:①提高土體的抗剪強度,使孔隙水應力充分消散,如對地基進行加固等;②減小作用在土體上的剪應力,如減小堤防的橫斷面積,盡量避免對堤防的擾動等。第一種方法在工程中被廣泛采用。

3 軟弱地基處理措施

堤防基礎采用機械開挖,人工修整。基礎開挖至設計高程(-3.0 m)時,絕大部分地段為較密實砂卵石夾雜漂石層面,工程地質性質較好,局部地段為泥化軟弱層面,即梧桐河6+834～6+840段,這段所處河床地質、地形條件不盡相同,工程建設中采取了不同的處理措施。梧桐河 6+834～6+840段:該段處堤防轉彎迎水面,α=198°、R=1 719 m,與梧桐河主水流夾角 23°。基槽開挖至設計高程為淤泥質軟土,顆粒細微并雜有有機物腐殖質,顏色呈深灰色,有臭味。

按照基礎對地基的要求,繼續(xù)深挖至 -4.3 m,基槽內滲水量急劇增大,排水困難,采用預填骨料灌漿法進行處理,寬1.9 m,厚1.3 m,分層填筑,灌漿密實。

4 軟弱地基處理及堤防工作狀態(tài)評價

1)梧桐河堤防工程對軟弱地基的有效處理,改善了基底地質條件,較好地解決了基礎變形引起的堤身破壞問題,保證了堤防質量。

2)通過幾年對處理段堤防水平位移、垂直位移定時定點監(jiān)測,堤身無裂縫、滑坡、塌陷、隆起、滲透變形情況,堤防工作狀態(tài)良好。

3)較好地抵御了洪水的襲擊。堤防工程投入運行后,經受了 3次較大洪水的襲擊,梧桐河洪峰流量達到 280～760 m3/s(相當于10a一遇洪水)。

5 成果分析應用

梧桐河堤防工程軟弱地基是一種非常軟弱的結構面,具有濕度高、密度小、強度低和變形大等特點(摩擦系數(shù) f＜0.25,蠕變長期剪切強度f c=0.2,長期剪切強度與短期剪切強度 f o比值為 0.87)。理論上對 3種不同處理方案分別進行了驗算,工程均滿足抗滑、抗傾覆及地基承載力要求。從效果來看,理論與實際是一致的。

梧桐河城區(qū)段堤防建設實踐及對軟弱地基的處理措施,在今后河道治理工作中可以借鑒和應用。同時應注意處理好以下幾方面的問題:

5.1 堤防規(guī)劃

按照河流河床寬度和防洪標準,堤防堤線宜平行于河流直線布設。需要設計彎道,彎道宜緩,以免水流對堤防產生較大沖刷而對地基要求過高。

5.2 堤防基礎

堤防基礎宜嵌入河床地基中,建在較密實砂卵石層或未經擾動的巖層上,滿足抗滑、抗傾覆及地基承載力要求。同時應對堤防沖刷深度進行驗算,并和天然沖刷深度相比較,確定基礎埋深,這對保證基礎的穩(wěn)定性至關重要。

[1] 吳秋華.淺談晉江下游堤防工程的軟基處理[J].水利科技,2001(2):39-41.