南沙某堤圍加固工程地質(zhì)問題分析及處理對(duì)策

劉海燕

(廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610)

作為粵港澳大灣區(qū)城市群的中心，南沙區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)顯得尤為重要。而南沙地區(qū)作為含有大量典型軟弱土的區(qū)域，在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，查明地基軟土的分布特征、工程特性及主要工程地質(zhì)問題，對(duì)工程設(shè)計(jì)和建設(shè)具重要意義[1-2〗。水利設(shè)施的安全性和整體質(zhì)量在很大程度取決于軟土地基的處理情況[3]，堤基透水層的滲透變形問題以及砂土液化問題的處理情況。針對(duì)各堤基分段開展地質(zhì)條件評(píng)價(jià)，根據(jù)其主要地質(zhì)問題提出相應(yīng)的加固措施，才能使加固方案更加經(jīng)濟(jì)、合理、可靠[4]。

1 堤圍概況

該堤圍位于廣州市南沙區(qū)萬頃沙聯(lián)圍，地貌為人工圍墾河網(wǎng)平原，現(xiàn)狀堤頂高程3.39-3.80m，堤寬約3-4m，堤頂路為土路，現(xiàn)狀堤防較好，但堤頂高程不滿足50a一遇防洪潮標(biāo)準(zhǔn)，堤頂路較窄，不能滿足雙向通車要求。本堤段為南沙濕地公園范圍，堤防背水側(cè)雜草樹木叢生，與濕地公園的生態(tài)環(huán)境不協(xié)調(diào)。現(xiàn)狀堤防背水側(cè)某施工段有水滲出。

據(jù)主管部門介紹，歷史上堤岸曾由于軟土地基導(dǎo)致沉降，加之遇較大規(guī)模潮水，曾發(fā)生過洪水期經(jīng)河流沖刷淘蝕發(fā)生過小規(guī)模失穩(wěn)險(xiǎn)情，但隨后相關(guān)部門及時(shí)采取修補(bǔ)措施解決險(xiǎn)情。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造及地震

工程區(qū)位于粵中拗褶斷束的南部，區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層廣泛分布，且分布厚度>50m，未發(fā)現(xiàn)明顯斷裂構(gòu)造跡象，周邊的斷裂構(gòu)造以弱活動(dòng)斷裂為主。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

2.2 地層巖性特征

工程區(qū)位于珠江三角洲平原出海口地帶，受海浪及潮汐水動(dòng)力作用分布有厚-巨厚層軟土，多為含水豐富的淤泥、淤泥質(zhì)黏土及粉細(xì)砂[5]。工程區(qū)揭露的地層主要有①人工填土(Q4s)、②第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積(Q4mc)，地層結(jié)構(gòu)劃分及其特性如下：

第①層(Q4s)為灰色人工填筑土，分為兩個(gè)亞層：①-1回填粉質(zhì)黏土：褐黃色，稍濕-濕，以可塑狀為主，主要成分粉黏粒，夾少量粉細(xì)砂，厚約3.80-5.20m，稍密狀，壓實(shí)度一般，主要為弱透水。①-2回填中細(xì)砂層，厚約0.70-1.30m，飽水，稍密狀，主要成分為石英質(zhì)中細(xì)砂，夾少量黏粒。

②第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積軟土層(Q4mc)，共分為5個(gè)亞層：

②-1粉砂質(zhì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：該層連續(xù)分布在填土層以下，灰色，濕，流塑-軟塑，主要成分粉黏粒，次要成分為粉細(xì)砂，砂粒含量平均值超20%。巖芯切面粗糙，手摸黏手，含少量有機(jī)質(zhì)。

②-2淤泥夾薄層粉細(xì)砂：濕，軟塑-流塑，主要成分為粉黏粒。巖芯切面較為平整，切面可見粉細(xì)砂，夾層厚度<1cm，夾少量貝殼碎屑。手摸黏手，有臭味，有機(jī)質(zhì)含量較高。

②-3淤泥夾中細(xì)砂：濕，軟塑狀，淤泥主要成分為粉黏粒，夾層主要為中細(xì)砂，含大量貝殼碎屑。

②-4含貝殼泥質(zhì)中粗砂：飽水，稍密，主要成分為中粗砂，次要為粉黏粒，含大量貝殼碎屑，有臭味，有機(jī)質(zhì)含量較高。

②-5含卵礫泥質(zhì)中粗砂：濕，稍密狀，主要成分為中粗砂，次要成分為粉黏粒，夾卵礫石。層厚較大，鉆孔未揭穿。

本堤段堤基2倍堤高范圍內(nèi)土層主要為②-1粉砂質(zhì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②-2淤泥夾薄層粉細(xì)砂，均主要為軟土層，堤基地層較為單一，堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)澐譃檐浲羻我唤Y(jié)構(gòu)I類。各巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)主要含水層為松散覆蓋層孔隙含水層和基巖裂隙含水層。孔隙含水層主要分布于松散覆蓋層孔隙中，上部細(xì)粒土為弱透水層，下部砂土為中等-強(qiáng)透水層，水力坡度較小。基巖裂隙水埋藏深，多賦存在基巖風(fēng)化裂隙中，富水程度弱，對(duì)本次工程影響較小。

工程區(qū)位于出海口，地表水、地下水受潮流影響嚴(yán)重，漲潮時(shí)河水位上漲，發(fā)生倒流，地下水位上升，退潮時(shí)河水位下落，地下水位亦下降。地表水和地下水化學(xué)類型一致，均為Cl-HCO3-Na型，礦化度620-2040mg/L，pH值為7.04-7.35，屬中性-弱堿性水。根據(jù)腐蝕性判別結(jié)果，地表水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有碳酸型弱腐蝕性；兩者對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中等腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

3 主要工程地質(zhì)問題

本工程要查明和解決的主要工程地質(zhì)問題有滲透變形、抗滑穩(wěn)定、沉降變形、抗沖、抗震穩(wěn)定和特殊土問題，根據(jù)勘察資料分析如下。

3.1 抗滑穩(wěn)定問題

現(xiàn)狀堤頂高程不滿足防洪潮標(biāo)準(zhǔn)，本次堤防除險(xiǎn)加固局部堤段需要加高培厚，加高厚度不足1m，加高完成后堤頂附加應(yīng)力荷載不足15kPa，堤身拓寬部分堤基填筑最大高度亦不足5m。現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度Cu小值均值統(tǒng)計(jì)值為23kPa。由路基設(shè)計(jì)相關(guān)公式(Hc=5.52Cu/γ)粗略計(jì)算②-1粉砂質(zhì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的路基臨界填筑高度可達(dá)7m。抗滑穩(wěn)定具有一定的安全保障，基本不存在抗滑穩(wěn)定問題[6]。

3.2 沉降變形問題

堤基土主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，具高壓縮性，抗剪強(qiáng)度較低，靈敏度較高，受上部荷載長年累月的堆壓，主固結(jié)沉降已完成，堤防基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有明顯的變形破壞。但本次對(duì)現(xiàn)有堤防加高培厚，堤后背水側(cè)新增荷載較多，在新增荷載的作用下仍存在一定的沉降變形問題。現(xiàn)有堤防的加高部分和新增拓寬連接部分對(duì)堤基土產(chǎn)生的附加應(yīng)力差異較大，新舊堤身之間會(huì)產(chǎn)生差異性沉降，堤基未經(jīng)處理同步施工會(huì)導(dǎo)致后期堤頂路面硬性材料的開裂破壞。

3.3 滲漏及滲透穩(wěn)定問題

本次勘察堤體局部有①-2回填細(xì)中砂層，透水性較強(qiáng)，其下有淤泥夾薄層粉細(xì)砂、中細(xì)砂、含貝殼泥質(zhì)中粗砂等地層，透水性中等-強(qiáng)。勘察期間，當(dāng)外江潮水位較高時(shí)，部分堤內(nèi)鉆孔孔口可見少量水滲流出，外江潮水下降時(shí)滲流停止，說明高潮位堤內(nèi)外水力聯(lián)系密切。

堤基土①-2細(xì)中砂層，其滲透變形類型為管涌型，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，允許水力比降取0.15-0.20。由于該堤防內(nèi)外潮水位差最大約3m，根據(jù)設(shè)計(jì)斷面堤基滲漏路徑約22m，水力比降為0.136，臨近細(xì)中砂層的允許水力比降，故存在滲透穩(wěn)定問題。

堤基②-1粉砂質(zhì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，為細(xì)粒土，其滲透破壞類型為流土，經(jīng)計(jì)算，②-1粉砂質(zhì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層允許水力比降為0.32，>設(shè)計(jì)水力比降，該層土不存在滲透變形問題。

3.4 抗震穩(wěn)定問題

工程區(qū)存在深厚軟土層，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。根據(jù)鉆孔剪切波速測(cè)試成果：①-1回填粉質(zhì)黏土剪切波速203-207m/s，①-2回填中細(xì)砂剪切波速177.5m/s，②-1粉砂質(zhì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土剪切波速140-144m/s，②-2淤泥夾薄層粉細(xì)砂剪切波速132-136m/s，均>規(guī)范要求的90m/s臨界等效剪切波速，故本工程軟土可不考慮震陷影響。

工程區(qū)堤基15m范圍內(nèi)的土層主要為②-1粉砂質(zhì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，黏粒(粒徑<0.005mm的顆粒)含量百分率>20%，依據(jù)規(guī)范可判定為不液化土。

3.5 抗沖刷問題

堤外水流復(fù)雜，大部分沒有外灘，堤外坡直接臨水，水下岸坡由軟土組成，在水流對(duì)岸坡沖刷、浪蝕作用下，特別是當(dāng)臺(tái)風(fēng)及高潮的同時(shí)來臨時(shí)，在巨大浪襲沖擊作用下，現(xiàn)在的護(hù)腳拋石以及其它的防護(hù)設(shè)施一旦被沖跨，可能于坡腳處形成沖刷坑，產(chǎn)生臨空面，而導(dǎo)致?lián)鯄Φ膫?cè)滑破壞，從而進(jìn)一步產(chǎn)生對(duì)堤防的破壞。建議現(xiàn)狀堤防加強(qiáng)抗沖加固處理，并做好巡視及監(jiān)測(cè)工作。

4 除險(xiǎn)加固對(duì)策

堤防存在的主要工程地質(zhì)問題是軟土沉降變形、滲透穩(wěn)定問題，工程地質(zhì)條件較差，屬C類。針對(duì)存在的工程地質(zhì)問題，經(jīng)分析論證，加固對(duì)策如下：

4.1 堤基處理

對(duì)軟弱淤泥質(zhì)地基來說，可采用的方法通常有：砂石樁置換法、堤身自重預(yù)壓法、鎮(zhèn)壓層法、加筋法、深層攪拌法等[7-8]。

現(xiàn)狀堤圍是經(jīng)過歷年加高培厚而成，已運(yùn)行多年，堤基軟土已受到了一定程度的排水固結(jié)，強(qiáng)度亦在逐漸增高，堤防基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。本次加高部分<1m，考慮到經(jīng)濟(jì)成本，本次堤岸在有建筑物的堤段采用攪拌樁處理，其余采用塑料插板排水固結(jié)法處理地基。堤身施工，先鋪設(shè)粗砂排水墊層，厚0.5m，墊層內(nèi)布設(shè)排水盲溝；在排水墊層上施打塑料排水板，排水板采用梅花形布置，間距1.0m；土方分層填至標(biāo)高2.1m，每層厚度≤1.0m，滿載壓載≥90d，預(yù)估沉降約350mm，待沉降穩(wěn)定后卸載，將多余土方填至其它區(qū)域，修整坡面。

為防止新舊堤身之間產(chǎn)生差異性沉降，對(duì)新增連接部分地基土進(jìn)行預(yù)固結(jié)處理，預(yù)固結(jié)加壓結(jié)合堤防分層填筑施工同步進(jìn)行，控制施工加荷速度，堤身堤基沉降變形穩(wěn)定后，再進(jìn)行上游護(hù)面和堤頂路面等硬性混凝土結(jié)構(gòu)的施工。

4.2 堤基防滲

勘察發(fā)現(xiàn)局部堤段堤基土有回填細(xì)中砂層，在高潮位與堤外連通，滲透明顯，為防止發(fā)生滲透變形問題，全線堤身增設(shè)4.5m寬壓滲平臺(tái)，堤后排水溝與壓滲平臺(tái)1∶3銜接，平臺(tái)頂及坡面草皮護(hù)坡。增加壓滲平臺(tái)后滲透比降約0.11，<細(xì)中砂層的允許坡降，且有一定的安全儲(chǔ)備。

為防止浪襲、沖刷問題，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行對(duì)比，堤身仍保存原有堤防，臨水側(cè)在原有砌石擋墻基礎(chǔ)上采用鋼筋混凝土深弧式防浪墻，加高至防浪墻頂高程4.6m，增設(shè)消浪平臺(tái)，平臺(tái)外加強(qiáng)拋石護(hù)腳。背水側(cè)填土加高培厚至設(shè)計(jì)堤頂高程和設(shè)計(jì)堤頂寬，背水坡綠化護(hù)坡，與南沙濕地公園景觀相得益彰。

項(xiàng)目自建成投入使用已運(yùn)行滿3a，經(jīng)歷多次臺(tái)風(fēng)、洪潮考驗(yàn)，堤圍完好無損，現(xiàn)狀運(yùn)行良好，未發(fā)現(xiàn)堤基沉降變形、滲透變形等安全隱患，社會(huì)效益良好。

5 結(jié) 語

水利工程堤圍加固是沿海城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，工程地質(zhì)勘察是堤圍除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，直接影響著設(shè)計(jì)文件的深度及可靠度[9]。文章以廣州市南沙區(qū)某堤圍為例，通過勘察查明該堤圍的工程地質(zhì)條件，對(duì)存在的工程地質(zhì)問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的除險(xiǎn)加固措施，旨在為類似工程設(shè)計(jì)、施工等提供參考。