软土地基堤防险情成因与边坡稳定性分析

潘茂太 刘同宦 杨昕光，3 潘家军

(1.安庆市长江河道管理局，安徽 安庆 246000；2.长江水利委员会 长江科学院，湖北 武汉 430000； 3.中国长江三峡集团公司，北京 100038)

软土地基堤防险情成因与边坡稳定性分析

潘茂太1刘同宦2杨昕光2，3潘家军2

(1.安庆市长江河道管理局，安徽 安庆 246000；2.长江水利委员会 长江科学院，湖北 武汉 430000； 3.中国长江三峡集团公司，北京 100038)

某软基段堤防近年来不断出现不同程度的堤坡塌陷、下挫及堤顶道路下沉等险情。根据历年险情总结与分析可知，堤坡沉陷、开裂是该堤段的最主要险情，其破坏机制与地基不均匀沉降引起的堤身拉剪破坏机制相吻合。边坡稳定性分析表明，堤防本身不存在抗滑失稳问题。堤基软土调查分析进一步揭示了堤坡下挫的主要原因是堤基不均匀沉降。在此基础上，提出了相应的除险加固措施。

堤防；软基处理；加固施工；稳定性分析

1 工程概况

皖河某段堤防全长6.65 km，堤基为软基段。由于河水流向数次变迁改道，忽淤忽冲，构成了现今变化复杂的地层。根据历次勘探成果，自地面下有约14 m厚的软弱土层，在堤防修建过程中并未对堤基软弱土层进行处理，历史上曾因堤基软弱而发生多次严重滑坡、塌方险情。

图1 1960～1995年堤防加固断面示意(单位：m;高程:m)

1996年，对该段堤防进行了加固处理，但自2006年11月以来，该段堤防仍不断出现不同程度的堤坡塌陷、下挫及堤顶道路下沉等险情。其中，堤坡塌陷与下挫是最主要的险情，持续时间长、分布范围广且破坏较为严重。近年来，该堤段虽经过数次应急除险加固，但仍出现程度不一的沉陷、下挫及开裂等问题。该堤防为长江2级堤防，如不根治险情，任其继续扩大，很有可能危及堤防安全，造成生命财产的重大损失。因此，有必要确定该堤防的险情成因，对边坡稳定性进行分析和评价，并在此基础上采取有效的除险加固措施。

该段堤防1960～1995年历次加固断面如图1所示。

2 历次险情总结与分析

据统计，2006年11月、2010年4月、2010年汛后至2014年汛后及2015年，先后发现该堤防多段发生护坡沉陷，并产生纵缝和弧形裂缝。由表1可知，堤坡沉陷、开裂是近年来的最主要险情。以下为其主要3个特点。

(1) 险情持续时间较长。历年险情调查均发现堤坡出现沉陷、开裂的情况，且破坏仍在缓慢发展。

(2) 险情分布范围较广。该段堤防发生过堤坡沉陷的堤段共计长4.8 km，占总长的72%，甚至有部分堤段多次出现堤坡沉陷、开裂等险情。

(3) 险情破坏较为严重。外堤坡沉陷最深达60多cm，且有些沉陷部位存在宽10～50 cm的裂缝。

表1 堤坡沉陷及开裂险情统计

从险情调查与历次观测成果看，堤坡沉陷、下挫的破坏形式主要为护坡垂直下挫，同时某些沉陷部位存在明显的裂缝，这与地基不均匀沉降引起的堤身拉剪破坏机制相吻合。同时，在实际勘察中未见堤脚、平台及滩地附近有明显的剪出口，因而不符合堤身失稳的破坏特征。因此初步判断引起堤坡沉陷、开裂的原因不是堤坡失稳，而是地基不均匀沉陷。

3 边坡稳定性分析

为了进一步查明堤防险情原因，对堤坡进行了稳定性分析与评价。根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)的要求，土堤抗滑稳定计算可采用瑞典圆弧滑动法和简化毕肖普法。本次计算采用简化毕肖普法进行堤坡稳定性分析[1-2]。

根据现场险情位置和历年勘测成果，选择桩号141+001为代表性断面进行稳定性分析。该段堤防堤身填土主要为粉质黏土，堤基由上至下分别为黏土层、淤泥质粉质黏土层、粉细砂层及粉质黏土层，具体计算断面见图2。

图2 稳定计算典型断面(高程:m)

在进行稳定性分析时，总应力法和有效应力法应采用相应的总应力强度和有效应力强度指标。通常情况下，堤防填筑施工期和运行期水位骤降期采用总应力法计算，施工期可采用快剪强度指标，运行期水位骤降则采用固结快剪指标。本次计算总应力强度指标采用固结快剪小值平均值，有效应力强度指标则采用三轴排水剪试验成果。具体计算参数见表2。

表2 稳定计算参数

该段堤防的工程等级为2级，按《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)规定的稳定标准，2级堤防在正常运行工况下边坡抗滑安全系数不小于1.25；非常运行条件下其抗滑安全系数不小于1.15。工程施工期和水位骤降期的抗滑安全按非常运行条件的标准进行评价。

根据外江水位、有无地震等计算条件划分计算工况。水位考虑设计水位和枯水位两种，水位骤降考虑江水位从设计水位骤降至堤坡脚。地震烈度为6度，稳定分析可不考虑。

根据以上岩土参数、计算工况和水位条件进行堤坡稳定性分析的计算成果见表3，各工况最小安全系数对应滑弧位置见图3与图4。

表3 141+001断面抗滑稳定计算成果

图3 141+001断面稳定计算成果(有效应力法)

图4 141+001断面稳定计算成果(总应力法)

由表3可知，有效应力法计算的抗滑安全系数略大于总应力法对应的抗滑安全系数，说明两套强度指标在协调方面存在一定差异。两种方法计算的各工况的抗滑安全系数均满足规范要求，可见，堤防本身的抗滑稳定不存在问题，目前出现的堤坡沉陷、开裂等险情不是因堤身或堤基失稳而引起的，这与堤脚附近无明显剪出口现象相吻合。

4 堤基软土调查与分析

为验证坡面下挫是由堤基不均匀沉降所引起的，对桩号140+690～140+760的堤基软土层的数据进行详细对比分析，将堤身的下卧粉质黏土和淤泥质粉质黏土层的含水率、干密度、孔隙比以及压缩系数进行分层分钻孔对比，如图5～8所示。

图5 断面含水率对比

图6 断面干密度对比

图7 断面孔隙比对比

图8 断面压缩系数对比

由图5～ 8可知，粉质黏土和淤泥质粉质黏土的含水率、孔隙比及压缩系数从堤顶部位到外坡脚再到滩地部位依次增大，干密度则依次减小。说明从堤顶到外坡脚再到滩地的下卧软土的密实度依次减小，压缩性依次增大。这是因为堤顶部位上覆荷载较大，经过多年的固结，该部位下卧黏土层的孔隙比、含水率、压缩性均有所降低，强度和变形特性较填筑初期有了一定的提高，但性质仍较为软弱。而外坡脚及滩地部位由于上覆荷载较小，孔隙比、含水率和压缩性变化不大，性质仍较为软弱。当受到水位变化、降雨和土体浸水软化作用等扰动时，由于堤顶下卧黏土层压缩性低且受到的扰动较小，而外坡脚处下卧黏土层性质软弱且受到的扰动较为剧烈，必然引起地基产生不均匀沉降。此外，相较于堤身，迎水侧反压平台的填筑时间较晚，排水条件也较差，因而使下卧黏土层各部位非同步产生固结沉降，也会造成地基的不均匀沉降。这也合理解释了堤坡塌陷、下挫一般多见于迎水坡的原因。

据历年勘察成果，迎水侧表层贴坡土土质结构松散，含水率高，压实度低，筑填质量差，大部分不满足筑填标准，且堤身内土体含水率高，接近饱和状态，这主要是由于堤防填土土质差、加培方式不利于及时排出堤身含水以及无排水措施而造成的。堤身土体长期受堤内积水浸泡，其物理力学特性发生了复杂变化，进而引起土体软化，减弱了其抵抗破坏的能力。当地基产生不均匀沉降时，堤身土质差和浸水软化作用会进一步引发外堤坡大范围的沉陷、开裂，加剧破坏；在堤顶交通动载等的作用下，还会引起堤顶路面沉降。

5 结论与建议

历年险情分析、边坡稳定性评价及堤基软土勘察成果表明，该段堤防现阶段最主要的险情为堤坡的沉陷、下挫，主要是由地基不均匀沉陷引起的。同时，堤身土质差和浸水软化作用会进一步加剧险情，引发堤坡大范围的沉陷、开裂，在堤顶交通动载作用下，还会引起堤顶道路的沉降。针对上述问题，建议结合以往加固经验，提出合理、有效、经济的加固处理方案，包括采用真空预压或格栅状水泥搅拌桩等软基处理措施减小堤基不均匀沉降，采用堤身加固等措施改善土质，堤内坡设置排水沟减小土体浸水软化作用等，从而从根本上消除堤防潜在隐患，确保大堤安全运行。

[1] 陈祖煜. 土质边坡稳定分析一原理、方法、程序[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2003.

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

(编辑：陈紫薇)

1006-0081(2017)03-0020-03

2017-01-10

潘茂太，男，安庆市长江河道管理局，工程师.

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