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計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110007)

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

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，在巡視中發現：迎水面、堤頂以及堤腳外30m范圍內的防護林內有多處不同規模的裂縫和塌陷。當時采取了表部挖填、覆蓋防滲膜等應急處理方式，汛期未發生較大規模的險情。2018年4月，發現裂縫、塌陷發展迅速，遠較上一年嚴重。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，且該區域內有多條重要交通線路經過。為確保人民生命財產安全，在汛期前應及時處理裂縫與塌陷問題。

2 現場情況調查與勘測

2.1 地面調查情況

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)主要發現于堤身、堤外樹林中，與堤腳距離多小于50m，局部地面表現為串珠狀塌坑。

裂縫與塌陷(塌陷按其長邊方向與堤線的關系)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。

調查點編號原則：裂縫斷續分布，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；相對距離較遠的、獨立的裂縫或塌陷(坑)，單獨按1處計。按上述方法和統計，本次工作共發現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。裂縫與沉降現象在附近村鎮中也有出現。

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種情況統計，其中：

(1)右岸堤內公路裂縫。發現裂縫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。發現貫穿性橫向裂縫37條，主要在臨水坡堤身、堤外防護林內發現。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。發現橫向裂縫28條，塌陷(坑)8處，主要在臨水坡堤外防護林內發現。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。發現縱向裂縫45條(堤外44條，堤內1條)，塌陷(坑)8處，主要在臨水坡堤外防護林內發現。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)右岸堤外發現斜向裂縫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種情況統計，其中：

(1)左岸堤防貫穿性橫向裂縫、塌陷。發現貫穿性橫向裂縫20條，塌陷(坑)4處，主要在臨水坡堤身、堤外防護林內發現，背水坡一側僅局部發現。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。發現橫向裂縫26條，塌陷(坑)12處，主要在臨水坡堤外防護林內發現。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。堤身還發現兩處獾子洞，寬0.2～0.3m，進深分別為1.4m和2.4m。

(3)左岸縱向裂縫、塌陷.發現縱向裂縫23條(堤外20條，堤內3條)，塌陷(坑)3處，主要發現在臨水坡堤外防護林內。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)現斜向裂縫12條，主要在臨水坡堤外防護林內發現。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)對某礦開采區的采煤邊界進行了物探復核。探測結果表明，物探測得的采區邊界與礦區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范圍內進行探測，根據物探成果，地下水位以上(6m)范圍內，未發現明顯閉合圓形態的點狀高電阻率異常，推測地下水位以上(6m)測線范圍內地下無大范圍塌空、空隙區；地下水位以下(6～30m)，全部處于覆蓋層內(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行了打鉆驗證，結果表明其電阻率差異主要由上層粉質黏土(0～10m)的導電性差異引起，未發現明顯空洞、空隙區。建議對高密度電法測線地下水位以下部分(6～30m)，結合地質資料和塌陷、塌空機理進行綜合分析。

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)堤腳地裂縫向下發現深度一般1～2.5m，縫寬自上而下逐漸變窄直至消失(肉眼不可辨)，除地表調查的深度內無充填外，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)多發現在表層厚0.5～1.0m的粉土層中，下部多為硬塑-可塑的粉質黏土層，層中未見明顯塌陷現象，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深度范圍內有層狀塌落形成的空腔(空腔上部巖性為灰黑色粉質黏土)。可見塌陷(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和低阻區布置。

鉆探成果表明：

(1)堤基地層巖性主要為表層約1m厚粉土層、下部其余細粒土層主要為黃褐色-灰色可塑狀粉質黏土、灰色軟塑狀粉質黏土。細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在地表2.5～6m深度內未見明顯的裂縫、塌陷(坑)痕跡以及明顯的松散土層。

2.4 現場滲水試驗

現場在堤身、堤腳的裂隙和塌陷處進行滲水試驗。試驗表明：

(1)被松散細粒土充填的裂隙、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生持續塌陷的現象。

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

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，裂縫兩側土體多呈松散狀態。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，對堤身產生不利影響。

塌陷是有空洞的堤身或堤基內土體繼續塌落厚形成，在汛期時，對滲透破壞產生不利影響，若形成水流管道長久發展，堤防有沖毀風險。

3.2 裂縫與塌陷對堤基的影響

堤基周圍裂縫的兩側土體以較松散狀態為主，汛期時，裂縫中流水加快，更易沖刷破壞，在水流持續不斷沖刷作用下，裂縫寬度不斷加大，任其發展會產生堤身塌陷，隨著堤防水位變高，堤防穩定性極低，有潰堤風險。

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生，任其發展則長條形塌陷大概率出現在堤腳處，若堤內水位高，堤防呈長段狀潰堤的風險極大。

3.3 裂隙與塌陷的分類及應急處理建議

根據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急處理建議。

A類：未被細粒土充填的貫穿堤防的裂隙，建議進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、堤腳外發現深度較大、嚴重危害堤身(或堤基)安全穩定的裂縫，建議開挖一定深度后用黏性土進行回填壓實處理，處理深度1.5～2.0m，同時建議根據開挖鑒定的現場裂縫延伸情況進行適當延伸。

C類：堤身塌痕不明顯、堤腳外發現深度較小，對堤身(或堤基)安全穩定影響相對較小的裂縫，建議進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、經回填壓實處理后未重新發展的地裂縫、距離堤腳較遠的地裂縫，建議加強變形觀測，暫不進行處理。

經分類統計，本次防洪應急度汛建議進行處理的裂縫、塌陷(坑)數量見表1。

表1 建議汛前信息統計表

4 結語

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行了分析，根據本工程情況提出分類標準，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具有借鑒意義。但仍有如下不足需要優化：

(1)不同工程情況多有差異，需進一步對比各個因素對分類標準的影響權重，在日后工作中可結合大量類似工程數據進行修正，把分類標準與工程實際密切結合。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，結合使用，需做進一步研究。