軟土地基堤防險情成因與邊坡穩定性分析

潘茂太 劉同宦 楊昕光，3 潘家軍

(1.安慶市長江河道管理局，安徽 安慶 246000；2.長江水利委員會 長江科學院，湖北 武漢 430000； 3.中國長江三峽集團公司，北京 100038)

軟土地基堤防險情成因與邊坡穩定性分析

潘茂太1劉同宦2楊昕光2，3潘家軍2

(1.安慶市長江河道管理局，安徽 安慶 246000；2.長江水利委員會 長江科學院，湖北 武漢 430000； 3.中國長江三峽集團公司，北京 100038)

某軟基段堤防近年來不斷出現不同程度的堤坡塌陷、下挫及堤頂道路下沉等險情。根據歷年險情總結與分析可知，堤坡沉陷、開裂是該堤段的最主要險情，其破壞機制與地基不均勻沉降引起的堤身拉剪破壞機制相吻合。邊坡穩定性分析表明，堤防本身不存在抗滑失穩問題。堤基軟土調查分析進一步揭示了堤坡下挫的主要原因是堤基不均勻沉降。在此基礎上，提出了相應的除險加固措施。

堤防；軟基處理；加固施工；穩定性分析

1 工程概況

皖河某段堤防全長6.65 km，堤基為軟基段。由于河水流向數次變遷改道，忽淤忽沖，構成了現今變化復雜的地層。根據歷次勘探成果，自地面下有約14 m厚的軟弱土層，在堤防修建過程中并未對堤基軟弱土層進行處理，歷史上曾因堤基軟弱而發生多次嚴重滑坡、塌方險情。

圖1 1960～1995年堤防加固斷面示意(單位：m;高程:m)

1996年，對該段堤防進行了加固處理，但自2006年11月以來，該段堤防仍不斷出現不同程度的堤坡塌陷、下挫及堤頂道路下沉等險情。其中，堤坡塌陷與下挫是最主要的險情，持續時間長、分布范圍廣且破壞較為嚴重。近年來，該堤段雖經過數次應急除險加固，但仍出現程度不一的沉陷、下挫及開裂等問題。該堤防為長江2級堤防，如不根治險情，任其繼續擴大，很有可能危及堤防安全，造成生命財產的重大損失。因此，有必要確定該堤防的險情成因，對邊坡穩定性進行分析和評價，并在此基礎上采取有效的除險加固措施。

該段堤防1960～1995年歷次加固斷面如圖1所示。

2 歷次險情總結與分析

據統計，2006年11月、2010年4月、2010年汛后至2014年汛后及2015年，先后發現該堤防多段發生護坡沉陷，并產生縱縫和弧形裂縫。由表1可知，堤坡沉陷、開裂是近年來的最主要險情。以下為其主要3個特點。

(1) 險情持續時間較長。歷年險情調查均發現堤坡出現沉陷、開裂的情況，且破壞仍在緩慢發展。

(2) 險情分布范圍較廣。該段堤防發生過堤坡沉陷的堤段共計長4.8 km，占總長的72%，甚至有部分堤段多次出現堤坡沉陷、開裂等險情。

(3) 險情破壞較為嚴重。外堤坡沉陷最深達60多cm，且有些沉陷部位存在寬10～50 cm的裂縫。

表1 堤坡沉陷及開裂險情統計

從險情調查與歷次觀測成果看，堤坡沉陷、下挫的破壞形式主要為護坡垂直下挫，同時某些沉陷部位存在明顯的裂縫，這與地基不均勻沉降引起的堤身拉剪破壞機制相吻合。同時，在實際勘察中未見堤腳、平臺及灘地附近有明顯的剪出口，因而不符合堤身失穩的破壞特征。因此初步判斷引起堤坡沉陷、開裂的原因不是堤坡失穩，而是地基不均勻沉陷。

3 邊坡穩定性分析

為了進一步查明堤防險情原因，對堤坡進行了穩定性分析與評價。根據《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)的要求，土堤抗滑穩定計算可采用瑞典圓弧滑動法和簡化畢肖普法。本次計算采用簡化畢肖普法進行堤坡穩定性分析[1-2]。

根據現場險情位置和歷年勘測成果，選擇樁號141+001為代表性斷面進行穩定性分析。該段堤防堤身填土主要為粉質黏土，堤基由上至下分別為黏土層、淤泥質粉質黏土層、粉細砂層及粉質黏土層，具體計算斷面見圖2。

圖2 穩定計算典型斷面(高程:m)

在進行穩定性分析時，總應力法和有效應力法應采用相應的總應力強度和有效應力強度指標。通常情況下，堤防填筑施工期和運行期水位驟降期采用總應力法計算，施工期可采用快剪強度指標，運行期水位驟降則采用固結快剪指標。本次計算總應力強度指標采用固結快剪小值平均值，有效應力強度指標則采用三軸排水剪試驗成果。具體計算參數見表2。

表2 穩定計算參數

該段堤防的工程等級為2級，按《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)規定的穩定標準，2級堤防在正常運行工況下邊坡抗滑安全系數不小于1.25；非常運行條件下其抗滑安全系數不小于1.15。工程施工期和水位驟降期的抗滑安全按非常運行條件的標準進行評價。

根據外江水位、有無地震等計算條件劃分計算工況。水位考慮設計水位和枯水位兩種，水位驟降考慮江水位從設計水位驟降至堤坡腳。地震烈度為6度，穩定分析可不考慮。

根據以上巖土參數、計算工況和水位條件進行堤坡穩定性分析的計算成果見表3，各工況最小安全系數對應滑弧位置見圖3與圖4。

表3 141+001斷面抗滑穩定計算成果

圖3 141+001斷面穩定計算成果(有效應力法)

圖4 141+001斷面穩定計算成果(總應力法)

由表3可知，有效應力法計算的抗滑安全系數略大于總應力法對應的抗滑安全系數，說明兩套強度指標在協調方面存在一定差異。兩種方法計算的各工況的抗滑安全系數均滿足規范要求，可見，堤防本身的抗滑穩定不存在問題，目前出現的堤坡沉陷、開裂等險情不是因堤身或堤基失穩而引起的，這與堤腳附近無明顯剪出口現象相吻合。

4 堤基軟土調查與分析

為驗證坡面下挫是由堤基不均勻沉降所引起的，對樁號140+690～140+760的堤基軟土層的數據進行詳細對比分析，將堤身的下臥粉質黏土和淤泥質粉質黏土層的含水率、干密度、孔隙比以及壓縮系數進行分層分鉆孔對比，如圖5～8所示。

圖5 斷面含水率對比

圖6 斷面干密度對比

圖7 斷面孔隙比對比

圖8 斷面壓縮系數對比

由圖5～ 8可知，粉質黏土和淤泥質粉質黏土的含水率、孔隙比及壓縮系數從堤頂部位到外坡腳再到灘地部位依次增大，干密度則依次減小。說明從堤頂到外坡腳再到灘地的下臥軟土的密實度依次減小，壓縮性依次增大。這是因為堤頂部位上覆荷載較大，經過多年的固結，該部位下臥黏土層的孔隙比、含水率、壓縮性均有所降低，強度和變形特性較填筑初期有了一定的提高，但性質仍較為軟弱。而外坡腳及灘地部位由于上覆荷載較小，孔隙比、含水率和壓縮性變化不大，性質仍較為軟弱。當受到水位變化、降雨和土體浸水軟化作用等擾動時，由于堤頂下臥黏土層壓縮性低且受到的擾動較小，而外坡腳處下臥黏土層性質軟弱且受到的擾動較為劇烈，必然引起地基產生不均勻沉降。此外，相較于堤身，迎水側反壓平臺的填筑時間較晚，排水條件也較差，因而使下臥黏土層各部位非同步產生固結沉降，也會造成地基的不均勻沉降。這也合理解釋了堤坡塌陷、下挫一般多見于迎水坡的原因。

據歷年勘察成果，迎水側表層貼坡土土質結構松散，含水率高，壓實度低，筑填質量差，大部分不滿足筑填標準，且堤身內土體含水率高，接近飽和狀態，這主要是由于堤防填土土質差、加培方式不利于及時排出堤身含水以及無排水措施而造成的。堤身土體長期受堤內積水浸泡，其物理力學特性發生了復雜變化，進而引起土體軟化，減弱了其抵抗破壞的能力。當地基產生不均勻沉降時，堤身土質差和浸水軟化作用會進一步引發外堤坡大范圍的沉陷、開裂，加劇破壞；在堤頂交通動載等的作用下，還會引起堤頂路面沉降。

5 結論與建議

歷年險情分析、邊坡穩定性評價及堤基軟土勘察成果表明，該段堤防現階段最主要的險情為堤坡的沉陷、下挫，主要是由地基不均勻沉陷引起的。同時，堤身土質差和浸水軟化作用會進一步加劇險情，引發堤坡大范圍的沉陷、開裂，在堤頂交通動載作用下，還會引起堤頂道路的沉降。針對上述問題，建議結合以往加固經驗，提出合理、有效、經濟的加固處理方案，包括采用真空預壓或格柵狀水泥攪拌樁等軟基處理措施減小堤基不均勻沉降，采用堤身加固等措施改善土質，堤內坡設置排水溝減小土體浸水軟化作用等，從而從根本上消除堤防潛在隱患，確保大堤安全運行。

[1] 陳祖煜. 土質邊坡穩定分析一原理、方法、程序[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2003.

[2] Bishop A W. The use of the slip circle in the stability analysis of slopes[J]. Geotechnique, 1955, 5(1): 7-17.

(編輯：陳紫薇)

1006-0081(2017)03-0020-03

2017-01-10

潘茂太，男，安慶市長江河道管理局，工程師.

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