三峽庫區消落帶淤泥質土上施工平臺填筑方案優化及穩定性分析

王小華 姚勁松 黃帥 任畢云 丁高俊 楊云杰

摘要：三峽庫區消落帶重慶萬州密溪溝至長江四橋綜合整治工程穿越回淤嚴重軟土區，擬選取振沖碎石樁法對天然軟基進行處理，但在淤泥質土上填筑施工平臺成為工程控制性條件。對淤積層力學特性、平臺填筑高度以及地基處理區域特征進行分析，提出平臺填筑優化方案，優先對滿足極限填筑高度區域進行地基處理，其他區域采取插塑料排水板+拋（鋪）碎石墊層預固結，平臺前緣拋填塊石壓腳。選取兩個典型地質斷面，對平臺抗滑穩定性進行了計算分析，計算結果證明了優化方案的可行性。

關鍵詞：消落帶;振沖碎石樁法;軟弱地基;施工平臺填筑;抗滑穩定;三峽庫區

中圖法分類號：TU43 文獻標志碼：A DOI：10.15974/i.cnki.slsdkb.2020.04.007

1研究背景

三峽庫區消落帶重慶萬州密溪溝至長江四橋綜合整治工程由滑坡治理、庫岸整治和濱江路填筑等三大部分組成，工程的實施可顯著改善沿線交通和人居環境。

工程區原始地形在庫區蓄水后形成了局部回淤灣，十多年來形成的淤積層最大厚度超過10m，擬通過地基處理提高其承載力，以滿足路堤填方設計要求。

軟基處理有多種工程措施。結合長期實踐，諸多學者及工程人員開展了針對性研究。馮偉從加固原理、加固深度、加固效果及經濟效益等方面對山區高速公路軟土地基處理工程措施進行了較系統的分析論述。碎石樁用于軟基加固可以較好地改善地基的排水狀態、加速地基固結以及降低工后沉降，還可提高地基的抗震性，在復合地基變形協調方面也具有一定優勢。水泥攪拌樁在軟土地基處理也較為常見，其施工周期較短，無擠土效應，但對于加速地基固結影響較小。粉煤灰樁、預應力管樁、塑料排水板等措施也是軟土地基處理的常用技術手段。在軟基上開展工程填筑工程時，土工合成材料的合理使用有助于地基應力變形的整體協調，作為輔助手段，也可增強填筑體一天然地基的整體協同作用;對于具有季節性浸水特性軟土的地基處理，還需注意對地基一填方整體排水性的改善，保障其長期穩定。

對于該工程，除通過工程措施提高地基承載力外，還須考慮填方體受庫區水位周期性調蓄的影響，改善填筑體一復合地基滲流條件，并盡可能在施工期加速地基的固結?；诖诵枨螅岢隽瞬捎谜駴_碎石樁處理軟基的方案。在新近淤積軟土上填筑并形成穩定的施工平臺成為工程實施重要的前置性控制條件，且須對平臺填筑穩定性進行分析并提出建議。

2工程背景及地質概況

工程區地形及振沖碎石樁處理范圍見圖1。圖中圈出了振沖碎石樁地基處理范圍，并對145m/175m等特征水位對應高程以及初步設定的152m填筑平臺頂高程做了加粗標注，由圖可以看出：

（1）左側振沖處理區地勢較低，施工平臺形成以填方為主;右側地形相對較高，主要通過半填半挖的方式形成施工平臺。

（2）蓄水后，圖中左側消落區形成了較為明顯的局部回淤灣，軟土層較為深厚，不利于填方作業和形成振沖碎石樁施工平臺。

對工程區進行了詳細地質勘察，該區地質結構大致分為三大類：堆積層、沖積層和基巖。

（1）堆積層（Q4^del）及崩坡積層（Q4^dl+col）。以粉質黏土夾角礫、碎石、塊石等為主，粗粒含量25%～35%，其母巖以砂巖為主，多呈強風化狀。該層基本由斜坡演化過程中的崩滑堆積物構成。

（2）沖積層（Q4^al）。斜坡中下部分布于長江河漫灘、河床內，由粉砂、粉細砂、粉土、粉質黏土以及蓄水后新近沖淤積淤泥質土組成，可細分為4層：①淤泥質土（a-1）：呈褐灰一淺灰色，流塑一軟塑狀，三峽水庫蓄水后新近沖淤積而成，回淤灣內厚度最大近10m，工程特性差，a-1層淤泥質土對于確保工程的安全至關重要。②粉質黏土（a-2）：呈褐灰一黃褐一棕色，軟塑一可塑狀，局部硬塑狀，厚度1.0-25.6m，多分布于上部，有時含砂、泥巖碎石。③粉土（a-3）：呈淺黃一褐黃一淺灰色，稍濕一濕、稍密，含少量鈣質結石、砂巖碎石，厚度0.5～21.0m。④粉砂、粉細砂（a-4）：多呈淺灰一黃褐色，稍密狀，局部中密狀，厚度0.6-37.6m，底部多含有砂巖塊石或水蝕蜂窩狀砂巖碎石。

（3）基巖。侏羅系中統上沙溪廟組第三段J2s³紫紅色一暗紫色泥巖夾砂巖，全層厚度大于200m，巖層產狀169°∠6°，與坡面方向呈反傾，且層面坡度較緩，可基本排除沿巖層發生深層滑坡。

圖2為圖1中1-1和2-2斷面的工程地質剖面圖。圖中還包含了高程152m施工平臺以及振沖碎石樁地基處理的設計布置。

參照詳勘階段地勘報告，表1為主要巖土體地層物理力學參數建議值。測試試樣基本常年處于水下，飽和度高。由于平臺填筑屬于短期加載，主要土層均采用快剪試驗測試其抗剪強度指標;表層a-1淤泥質土對于施工平臺的順利成形起關鍵作用。對此，還補充開展了十字板剪切試驗，在1m左右深度范圍不排水抗剪強度為11.2kPa，重塑強度5.8kPa，靈敏度為1.93。

3平臺填筑方案及其優化設計

平臺填筑初步方案為：①按照從岸側向庫區的方向，逐級推進填方，填方體前緣自然放坡形成;②逐級推進填方的同時，逐級進行振沖碎石樁加固處理，提高平臺的穩定性;③庫區水位提升至來年回落到平臺高程以下后，按照以上流程繼續進行平臺填筑和地基加固。

該初步方案對消落區新近沉積淤泥質土的不利影響及周期性蓄水淹沒平臺等考慮略顯不足。需評估平臺填筑的穩定性并盡可能充分利用平臺泡水期加速地基的固結，對設計方案進行合理優化。

據地形地質資料，將平臺設計斷面與現狀水下地形比對，回淤灣內平臺普遍填筑高度8-10m。采用快速填筑路堤所允許的最大填高對天然地基條件下的極限填筑高度Hmax進行估算。在極限填筑高Hmax條件下，地基處于臨界狀態;一旦填筑高度超過Hmax，天然地基將發生失穩，必須對地基進行加固，使其能夠滿足設計的填筑高度?？刹捎觅M倫紐斯公式（式1）對Hmax進行估算。

式中，y為填土容重，水下時按照浮容重計算，kN/m³;τ為天然地基的抗剪強度，kPa;一般采用十字板剪切指標，或無側限抗壓強度指標的一半，亦或三軸快剪指標。

據式（1），τ取11.2kPa，開挖料回填密度y取18.0kN/m³，計算得到Hmax=3.43m，考慮填土部分區域浸沒于水中，按照浮重度進行適當修正，Hmax也只能達到4m左右，與最大填筑高度（近12m）相差較大，能夠滿足天然地基填筑的區域僅限于岸側很小的范圍，對此需要對天然地基進行預處理后，方可滿足平臺的順利填筑。

綜合考慮極限填筑高度和庫水位的周期性調節，平臺填筑方案優化思路分析如下：

（1）平臺施工階段，考慮庫區水位調度因素，每年有效施工期不足5個月，按工程進度要求，平臺施工及振沖碎石樁地基處理為3a。①平臺在具有永久強度前，需跨越2個完整水文年，開挖料填筑形成的土方平臺自身結構相對松散，在高含水率條件下工程碾壓不易促進水的排出，極易形成橡皮土，進而不利于平臺土體自身強度增長，水位周期性調蓄對平臺穩定構成一定風險;②平臺每年有約8個月浸沒于水中，可對天然地基進行預處理，充分利用浸于水下的時間。

（2）按照式（1）進行反推，考慮底部泡水，能夠滿足10m最大填高，對應的地基抗剪強度須達到約30kPa，為適當降低地基預處理的難度，可由岸側向外設計緩傾坡度或若干高程臺階填筑，適當降低地勢較低區域的填筑高度。

（3）應從工程經濟角度考慮地基預處理，且不給后期振沖碎石樁地基處理施工造成困難。

根據以上設計思路，制定平臺填筑施工方案如下：

（1）調整施工順序，優先對半填半挖區域（圖1右側）及岸側填筑高度較小（以填高4m控制）區域進行平臺土方施工作業;其余區域至平臺前緣設計放坡線以外20m范圍，采用插塑料排水板穿透a-1淤泥質土層并達到振沖樁處理底部，在其上鋪（拋）設1-2m碎石墊層，滿足預固結附加荷載不小于20kPa，遠離岸線區域浸水時間較長，按浮重度計算墊層厚度應按2m考慮，靠岸側可適當減薄?？紤]到后期振沖碎石樁施工以及工程經濟性，振沖樁處理區域碎石墊層最大粒徑不超過30cm，保證墊層碎石料的最大化利用;同時，碎石墊層與振沖樁共同構成透水網絡，有利于加速地基固結和強度增長。

（2）預固結至下一個低水位周期，通過現場十字板試驗等對預固結效果進行測試，滿足相應填筑高度后，進行平臺填筑及振沖碎石樁地基處理作業。

（3）平臺頂部外緣至放坡坡腳線采用塊石拋填，并碾壓形成一道碎石壩，對下伏淤泥土層起到加固和邊界限定作用，也可在后續高水位期間對平臺內部區域起到有效保護作用。完工后，其作為整個填方體的前緣坡腳，對于保證邊坡的長期穩定和坡腳局部穩定具有至關重要的作用。初期頂部高度可適當降低至148m。

4方案優化后平臺穩定性計算分析

按照以上方案優化后，對圖2所示兩個斷面進行抗滑穩定性計算分析。按照如下偏于保守的條件進行計算：

（1）僅考慮對于a-1層淤泥質土的加固效果，且按照不排水強度25kPa進行計算;

（2）不考慮拋（鋪）填碎石墊層材料相對較高的物理力學參數，平臺按開挖回填料參數計算;

（3）平臺整體仍按高程152m計，將優化設計的緩傾斜坡或臺階布置作為安全儲備考慮，前緣拋塊石碾壓堤強度參數按內摩擦角ψ=30°取值;

（4）平臺最薄弱階段為填土后、碎石樁施工前，在此階段按照0.05g（6度地震）水平加速度考慮振沖碎石樁的作業擾動。

計算分析基于Geostudio的SLOPE/W軟件，考慮地下水的滲流環境，按照式（2）進行計算抗滑穩定系數。

式中，Ccu.ψcu為不排水強度指標;li為條塊寬度;wi為條塊的重量;ui為滑面處土條的靜孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力;θi為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角;F為安全系數。

計算工況包括：①低水位工況：按照145m水位進行邊坡穩定性計算。②水位驟降工況：考慮到平臺高程為152m，且庫水位下降速度較快，驟降工況按照156m驟降至150m進行考慮。③高水位工況：按照175m水位進行邊坡穩定性計算，此工況無施工擾動。

計算成果見圖3-4。表2對抗滑穩定系數進行了統計，可以看出：

（1）通過預固結處理使平臺下伏a-1層淤泥質土物理力學參數提高后，平臺在主要控制性工況下抗滑穩定性良好;平臺前緣形成的拋石碾壓堤對于提高相對薄弱的平臺前緣抗滑穩定性具有較明顯的作用。

（2）低水位工況是平臺抗滑穩定性的控制性工況，此時平臺邊坡抗滑穩定性最低，這是地基上部有效附加荷載最大所致。

（3）水位驟降工況對該工程的意義較大，振沖碎石樁施工主要集中在汛期庫水位較低階段，為適應汛期調節，庫水位每年都有頻繁且快速的漲落，由于平臺前緣采用了拋石碾壓堤護腳，且在主要變幅區間無陡傾坡面，平臺及上下區域抗滑穩定性良好，為后續振沖碎石樁的快速施工提供了重要保障。

（4）高水位工況下，天然地基所受有效附加荷載相對較小，且無施工擾動，抗滑穩定性最高，對于保證振沖樁施工期至后續上部路堤填筑前這一階段平臺的整體穩定性是有利的。

5結論

對于該綜合治理工程，為給振沖碎石樁地基處理創造條件，須在新近淤積淤泥質土上填筑形成最大高度約10m的施工平臺?；趯τ俜e層力學特性、平臺填筑高度以及軟基處理區域特征的分析，綜合考慮施131期因素，在滿足原設計施工要求的基礎上，提出了平臺填筑優化方案，并采用優化方案對平臺抗滑穩定性進行了計算分析。經以上研究，得到如下結論。

（1）優先對滿足極限填筑高度的區域開展地基處理，充分考慮每年約8個月無法開展地基處理施工的因素，對不滿足填筑要求的區域采取插塑料排水板+拋（鋪）1-2m碎石墊層的方式對淤泥質土進行預固結，確保附加荷載不小于20kPa，有助于施工平臺的穩定。

（2）在平臺前緣通過拋填塊石形成一道碾壓壩，可降低跨年度浸水及施工期庫水位調節等對平臺的不利影響;同時考慮到平臺前緣在未來工程運營后仍為高邊坡的坡腳，碾壓壩對于提高邊坡的長期穩定性和耐久性也具有重要作用。

（3）選取2個典型工程地質斷面，充分考慮庫區水位特征及施工擾動因素，選取偏于保守的計算工況對施工平臺抗滑穩定性進行了系統計算分析，證明了優化方案的有效性。

在具體工程實施過程中，還應充分融入動態設計理念。在對地勢較低區域進行平臺填筑前，運用十字板剪切等技術手段，對預固結處理后的地基強度進行檢測。在滿足施工要求的情況下，通過設計緩傾斜坡或設置若干臺階的方法，適當降低平臺填筑高度，最大限度保障施工平臺在地基處理完成前相對薄弱階段的穩定。