軟基堤防整體抗滑穩(wěn)定計算研究

郭顯頂，韋禹琛

（1. 蒼南縣水利局,浙江 蒼南 325899; 2. 浙江正源水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 310051）

1 前言

浙江地區(qū)以淤泥質(zhì)軟黏土為主,其抗剪強度小,靈敏度高,且具有一定觸變性,滲透性小,在外部附加荷載作用下,其土體內(nèi)的超靜孔隙水壓力消散很慢[1],如施工期常來不及完全排水固結(jié),且由于靈敏性高,即擾動后強度降低較多,時常發(fā)生滑坡危險。

十字板指標(biāo)在水運工程中應(yīng)用較為廣泛[2],但目前水利工程設(shè)計中對十字板指標(biāo)應(yīng)用較少,劉潤等[3]對軟粘土邊坡穩(wěn)定性分析中十字板強度取值問題進行了探討；閆訓(xùn)海等[4]以黃浦江堤防某失穩(wěn)邊坡為例,分析了軟土失穩(wěn)邊坡加固重建后的穩(wěn)定計算的影響情況；黃朝煊等[5]對軟基上的海堤穩(wěn)定計算進行了研究,給出了海堤外坡綜合坡比經(jīng)驗計算公式。徐光明等[6]通過離心試驗對軟土地基上堤防穩(wěn)定性進行了研究,根據(jù)試驗分析了不同工況下滑弧產(chǎn)生的范圍和特點。黃勇博等[7]借助Geo-Studio Slope/W 和Seep/W 軟件模塊,建立均質(zhì)土堤防邊坡模型,并對不同的坡角、內(nèi)摩擦角、黏聚力、坡頂荷載、水位及土體滲透性等參數(shù)進行了敏感分析。黃朝煊[8]利用淤泥固化法對軟基上的堤防進行了加固處理。

鑒于當(dāng)前軟基上的堤防穩(wěn)定計算中存在的軟土參數(shù)取值、計算方法等影響,本文依托典型工程案例,對失穩(wěn)段堤防進行深入計算分析。

2 工程案例

浙江省某河道整治工程[9]的河道總長61.18 km,工程任務(wù)是通過對苕溪流域主要河道的水環(huán)境改善和河道整治工程,提高區(qū)域防洪能力,兼顧航運等綜合利用。

其中一段河道為新開河道,現(xiàn)狀地面高程2.5 m～3.5 m 拓浚河底寬40 m,河底高程-1.8 m。堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇,堤防等級4 級,設(shè)計洪水位4.65m～4.10m,常水位1.30 m。設(shè)計堤頂高程5.50 m,堤頂設(shè)防浪墻,防浪墻頂高程5.9 m。設(shè)計堤防為低擋墻復(fù)式斷面,擋墻基礎(chǔ)采用水泥攪拌樁處理,其中堤防典型斷面圖見圖1～圖2。

圖1 河道典型斷面圖

圖2 擋墻基礎(chǔ)處理圖

該段在施工過程中,新開河道段多處堤防迎水側(cè)小擋墻出現(xiàn)水平滑移,最大滑移量達1.4 m。

發(fā)生擋墻滑移段主要集中在右岸,現(xiàn)場照片見圖3。

工程區(qū)鉆探深度內(nèi)土層自上而下描述如下：

Ⅰ1層人工填土（rQ）,Ⅰ2塘泥或浮泥,Ⅱ1層粉質(zhì)黏土（al-ehQ43）,Ⅲsl砂質(zhì)粉土混淤泥,Ⅲ2層淤泥質(zhì)黏土（mQ42）,Ⅲsil層淤泥（mQ4）,Ⅳ1層粉質(zhì)黏土（al-lQ41）,Ⅳsl層（al-lQ4）。其中各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

鑒于淤泥軟土具有一定觸變性（靈敏性）,對其中軟弱淤泥層進行了十字板剪切試驗,其原位十字板剪切強度見表2。

表2 Ⅲsil 淤泥、Ⅲ1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土十字板指標(biāo)表

3 整體抗滑穩(wěn)定計算分析

邊坡整體穩(wěn)定計算分別采用Autobank軟件計算。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）[10],堤防邊坡抗滑穩(wěn)定計算可采用瑞典圓弧滑動法和簡化畢肖普法。

瑞典圓弧法計算公式：

簡化畢肖普法計算公式：

式中：W為土條重量,kN；Q、V為分別為水平和垂直地震慣性力（V向上為負(fù),向下為正）,kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力,kN/m2；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角,（°）；b為土條寬度,m；c'為土條底面的有效凝聚力,kN/m2；φ'為條底面的有效內(nèi)摩擦角,（°）；MC為平地震慣性力對圓心的力矩,kN·m；R為圓弧半徑,m。

從試驗過程上看,直剪法土樣在取樣和運輸過程中受到擾動,試驗時土體抗剪強度指標(biāo)可能小于實際。地質(zhì)工程師提供的各土層建議值是由土工試驗小值平均值分析得到,相對偏于保守。根據(jù)本工程區(qū)域附近其它工程經(jīng)驗,也驗證采用快剪建議值計算穩(wěn)定相對偏于保守。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[10],施工期穩(wěn)定采用總應(yīng)力法計算。當(dāng)?shù)鼗鶠轱柡宛ば酝?并以較快的速度填筑堤身時,可采用快剪或現(xiàn)場十字板強度指標(biāo)。根據(jù)以往工程經(jīng)驗,現(xiàn)場十字板強度指標(biāo)更能真實反映河道整治工程實際,因此施工圖階段穩(wěn)定復(fù)核地質(zhì)參數(shù)設(shè)計采用現(xiàn)場十字板強度指標(biāo)。

4 穩(wěn)定計算成果及討論

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[10],土的抗剪強度指標(biāo)可用三軸壓縮試驗測定,亦可用直剪試驗測定。當(dāng)?shù)鼗鶠轱柡驼承酝?并以較快的速度填筑堤身時,可采用快剪或不排水剪的現(xiàn)場十字板強度指標(biāo)。土堤邊坡抗滑穩(wěn)定方法可采用瑞典圓弧法或簡化畢肖普法計算,瑞典圓弧法不計算條塊間的作用力,計算簡單,而簡化畢肖普法考慮了條塊間的作用力。

本工程地質(zhì)提供的指標(biāo)主要有快剪和原位十字板值。堤防施工期工況下抗滑穩(wěn)定計算分析采用以下4 種組合計算模型：

①快剪指標(biāo)+瑞典圓弧法；

②快剪指標(biāo)+簡化畢肖普法；

③十字板分層+瑞典圓弧法；

④十字板分層+簡化畢肖普法。

1）計算斷面

復(fù)核斷面結(jié)構(gòu)為現(xiàn)狀已施工完成斷面,數(shù)量及位置以地質(zhì)提供的橫斷面位置為準(zhǔn),取地質(zhì)條件相對較差的三個典型斷面分別進行復(fù)核驗算。

2）計算工況及水位

非常工況：施工期的臨水堤坡。

水位組合：迎水側(cè)為常水位1.3 m,背水側(cè)取地面以下0.5 m。

3）計算指標(biāo)

① 快剪指標(biāo),見表1。

② 十字板回歸值。

③ 十字板原位分層剪切強度,見表2。

通過采用河海大學(xué)的Autobank 軟基計算Y1、Y2 及Y3三個典型斷面整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),其計算結(jié)果見表3。

表3 右岸堤防施工期臨水堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

其中各土層采用快剪指標(biāo)下的Y1、Y2 及Y3 斷面計算成果圖見圖4。淤泥土采用十字板原位剪切值下的Y1、Y2及Y3 斷面計算成果圖見圖5。

圖4 Y2 斷面采用快剪指標(biāo)下抗滑穩(wěn)定成果

圖5 Y2 斷面采用十字板原位剪切值下抗滑穩(wěn)定成果

通過上述復(fù)核驗算對比發(fā)現(xiàn),對相同計算斷面、工況和相同水位條件下,采用不同的計算指標(biāo)、方法結(jié)果不盡相同。

從計算指標(biāo)上看,采用地質(zhì)建議的快剪值安全系數(shù)最小,采用十字板分層值稍大；從計算方法看,當(dāng)計算土層摩擦角較大時,采用瑞典圓弧法所得計算值與規(guī)范允許值的差值大于采用簡化畢肖普法所得計算值與規(guī)范允許值的差值；當(dāng)計算土層摩擦角較小時,采用瑞典圓弧法與簡化畢肖普法與其對應(yīng)的規(guī)范值的差值相差較小。

綜上所述,堤防施工完建期工況穩(wěn)定采用十字板回歸+畢肖普法計算時基本能滿足規(guī)范要求,Y1、Y2 斷面的安全系數(shù)小于規(guī)范允許值。考慮到堤防穩(wěn)定分析僅為理論計算,實際施工中的穩(wěn)定還與地質(zhì)條件的復(fù)雜性、堤身填土和水泥攪拌樁的不均勻性、地下水位、施工期荷載、施工擾動等諸多因素有關(guān)。鑒于新開河段尚未進行疏浚局部已建擋墻就發(fā)生滑移,從保證工程安全角度出發(fā),有必要對局部堤段采取加固措施。

5 加固措施分析

軟弱地基堤防加固常用的手段有退堤、鎮(zhèn)壓、挖除軟土置換、排水插板排水固結(jié)、振沖法、水泥攪拌樁、抗滑樁及控制填筑（開挖速率）等處理方法。

根據(jù)類似工程經(jīng)驗分析,堤防加固措施初擬了三個方案,分別為：

1）方案一：在現(xiàn)有的水泥攪拌樁基礎(chǔ)上增設(shè)深層水泥攪拌樁加固,和已實施的水泥攪拌樁聯(lián)合發(fā)揮阻滑作用。水泥攪拌樁布置在0.5 m 平臺的外側(cè),直徑D60 cm,布置間距0.8 m,排距0.8 m 梅花形布置,由各斷面整體抗滑穩(wěn)定計算確定樁長和排數(shù),樁長20 m～21 m,樁底嵌入Ⅲcl 或Ⅳ層粉質(zhì)黏土層,排數(shù)3～8 排。

2）方案二：在現(xiàn)有的水泥攪拌樁基礎(chǔ)上增設(shè)混凝土灌注樁,和已實施的水泥攪拌樁聯(lián)合發(fā)揮阻滑作用。灌注樁布置在0.5 m 平臺的外側(cè)。灌注樁采用C30D80 鋼筋混凝土灌注樁。根據(jù)堤防整體抗滑穩(wěn)定計算,灌注樁樁長26.5 m,錨固長度6 m～7 m,排數(shù)1～2 排,排距2 m,間距2 m～3 m。

3）方案三：減少河道疏浚斷面在坡腳設(shè)鎮(zhèn)壓層方案。施工圖階段設(shè)計的河道過水?dāng)嗝婷娣e較規(guī)劃階段有較大的余度,而減少河底土方疏浚有助于提高堤身整體穩(wěn)定。因此,本方案通過縮小河道疏浚部分過水?dāng)嗝?即增加坡腳鎮(zhèn)壓平臺的方式加固堤防,設(shè)計斷面見圖6。

圖6 Y2 斷面減少疏浚后的設(shè)計斷面圖

其中Y2 斷面減少河道疏浚方量下的滑動穩(wěn)定安全計算成果見圖7（采用河道大學(xué)的Autobank 軟件）, 計算參數(shù)采用十字板原位剪切強度值。

圖7 Y2 斷面采用十字板原位剪切強度下的整體穩(wěn)定安全（Autobank 軟件）

通過穩(wěn)定復(fù)核計算,減少河道疏浚斷面在坡腳設(shè)鎮(zhèn)壓層后堤防Y2 斷面滿足規(guī)范穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

6 結(jié)論與建議

針對目前軟基堤防穩(wěn)定計算中淤泥軟土抗剪強度指標(biāo)取值、計算方法等問題,根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）,并依托浙江省長興縣軟基堤防工程,對軟基堤防穩(wěn)定計算進行深入計算研究,主要結(jié)論如下：

1）分別從地基土抗剪強度指標(biāo)（即采用快剪指標(biāo)、十字板原位剪切強度）、整體抗滑穩(wěn)定計算方法（即規(guī)范推薦瑞典圓弧法和簡化畢肖普法）等方面分析其影響,認(rèn)為采用地質(zhì)工程師建議的快剪值計算的堤防穩(wěn)定安全系數(shù)值最小,而采用十字板剪切強度值計算的堤防穩(wěn)定安全系數(shù)值稍大。

2）依托典型軟基堤防工程,分別對Y1、Y2 及Y3 三種典型斷面進行穩(wěn)定計算,認(rèn)為堤防施工完建期工況穩(wěn)定Y1、Y2 斷面的安全系數(shù)小于規(guī)范允許值。

3）鑒于新開河段尚未進行疏浚局部已建擋墻就發(fā)生滑移,從保證工程安全角度出發(fā),有必要對局部堤段采取加固措施,通過三種加固方案對比分析,建議對其中Y1、Y2 斷面采用減少疏浚量方案,并復(fù)核Y2 斷面減少疏浚量后的新斷面滿足滑動安全穩(wěn)定要求。

4）通過對軟基堤防穩(wěn)定控制問題分析,從施工期水位控制、減少疏浚量、迎水側(cè)坡腳區(qū)地基土預(yù)加固處理、合理控制堤身荷載（或輕質(zhì)材料填筑）、土工加筋材料及復(fù)合地基等方法進行加固處理,為類似工程設(shè)計提供計算參考。