堤内建设填土对堤防的安全影响评价

谢建波 刘世斌 张三定 张石虎

软土在我国滨江、临海地区广泛分布，近年来，随着经济社会的快速发展，特别是滨江、临海城市岸线整治、生态堤防和湿地景观等水环境建设工程的兴盛，临堤工程建设活动日趋频繁，由此而引发的软土区建设填土对堤防工程的安全问题非常突出，轻者引起堤防有害变形，重者可引发堤防滑移垮塌，危及人民生命财产安全。鉴于此，笔者认为临堤建设填土对堤防的安全影响评价十分必要，应引起建设各方的足够重视。本文以南京江宁段长江岸线绿化提升项目为例，简要介绍了软土区堤内建设填土对堤防的安全影响有关评价内容和方法，可为相关设计提供依据，亦可为类似工程研究提供参考。

1 概 述

2019年3月，为加快构筑沿江森林生态廊道、建设世界一流绿色生态带，南京市实施了江宁段长江岸线绿化提升项目，其中，永翔钢市重件码头至新洲社区一村段总长约6.8 km，大堤内侧宽度100～200 m范围内，采用附近岗地第四系上更新统冲积（）黏性土进行回填改造。典型设计断面如图1所示，填土厚度具体如下：（1）堤顶内缘至堤内坡脚范围内，填土厚度一般0～5.5 m，局部最大厚7.1 m；（2）堤内坡脚向外30 m范围以内，填土厚度一般2～6 m，最厚约8 m；（3）堤内坡脚向外30 m范围以外填土厚度一般2～6 m，最厚约10 m。

图1 典型堤防设计及填土厚度断面

2 基本地质条件

南京长江新生洲—新济洲段江面宽约4.5 km，受多个江心洲分割，长江分为宽度相当的左、右汊，分别宽约1.2 km，其中右汊为主汊。工程场址即位于右汊右岸，沿线属河流侵蚀堆积地貌，地势平坦。

（1）粉质黏土（②-1）：黄褐色，可塑状，局部软塑状，含少量铁锰质浸染斑点。场内广泛分布，层厚0.5～4.0 m。

（2）淤泥质粉质黏土与粉土、粉砂互层（②-2）：灰色，淤泥质粉质黏土以软塑状为主，局部流塑状，含少量腐殖质；粉土、粉砂均呈稍密状。水平微层理发育，单层厚1～5 mm。层厚变化大，一般厚1.5～14.5 m。

（3）粉质黏土（③-1）：灰色，软塑-可塑状，局部夹薄层粉砂，底部含粒径1.0～2.0 cm砾石。分布不连续，层厚变化大，一般厚2.0～10.0 m。

据GB 18306—2015《中国地震动峰值加速度区划图》，工程区50年超越概率10%地震动峰值加速度值为0.1g，地震动加速度反应谱特征周期值为0.35 s，相应地震基本烈度为Ⅶ度。

3 堤内建设填土对堤防的安全影响评价

3.1 抗滑稳定

3.1.1 堤身抗滑稳定

本堤防设计采用黏性土填筑，压实度不小于0.92，堤顶高程13.30～13.45 m，堤顶宽8.0 m，两侧坡比1∶2.5，迎水坡高程12.50 m以下采用混凝土护坡，背水坡高程8.00 m设置一级马道。堤身采用坡面复合土工布和多头小直径搅拌桩防渗墙防渗。两侧堤脚以外30 m范围采用黏土填塘。

据现场调查，本堤防除堤顶路面局部存在龟裂、车辙等病害外，未发现明显的变形迹象，亦未有历史险情记录，堤身现状良好。

堤内填土不改变堤身填土性状和结构形态，仅在其背水侧用黏性土培厚。因此，填土后堤身不存在抗滑稳定问题。

3.1.2 堤基抗滑稳定

本堤段沿线堤基中的淤泥质粉质黏土与粉土、粉砂互层（②-2）、粉质黏土（③-1）等软土，孔隙比大，含水量高，压缩性高，抗剪强度低。在填土荷载作用下，堤基可能沿软土发生剪切破坏。结合现场实际，选取5条代表性地质剖面进行计算。

3.1.2.1 计算工况

基于保守状态，不考虑堤外混凝土护坡、土工布防渗以及防渗墙的作用，计算工况如下：

（1）正常运用条件：设计洪水位11.60 m降落至水位8.50 m，同时考虑堤顶道路车辆荷载30 kPa。

（2）非常用条件：多年平均水位8.20 m时遭遇地震时，同时考虑堤顶道路车辆荷载30 kPa。

3.1.2.2 计算方法

采用瑞典圆弧法（式（1））计算，并按简化毕肖普法（式（2））进行校核，计算简图如图2。

图2 计算简图

式中W——土条的重量，kN；

Q、V——水平和垂直地震惯性力（向上为负，向下为正），kN；

u——作用于土条底面的孔隙水压力，kPa；

α——条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，（°）；

b——土条宽度，m；

c′——土条底面的有效凝聚力，kPa；

φ′——有效内摩擦角，（°）；

Mc——水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；

R——圆弧半径，m。

本堤防工程级别为2级，规范要求抗滑稳定安全系数不应小于表1中数值。

表1 规范要求抗滑稳定计算安全系数最小值

3.1.2.3 计算参数选取

结合规范有关要求和本段堤防地质勘察成果[3]，本次计算采用的土体物理力学参数见表2。

表2 堤防稳定计算采用的土体物理力学参数

3.1.2.4 计算结果

采用计算软件《理正岩土边坡稳定分析系统》（6.5PB2），全局搜索安全系数最小的圆弧，代表性圆弧搜索计算简图如图3所示。本次分别计算了填土后正常和非正常运用条件下堤基抗滑稳定安全系数，计算成果见表3。

据表3可知，本堤段在正常和非正常运用条件下，填土后堤基抗滑稳定计算安全系数均可满足规范要求。

结合有关勘察资料，在正常运用条件下，按复原的填土前堤防剖面形态，计算了堤基抗滑稳定计算安全系数值，并与填土后计算安全系数值进行了比较，计算成果见表4。

图3 圆弧搜索计算代表性简图（6-6′剖面）

表3 填土后抗滑稳定计算安全系数

表4 在正常运用条件下填土前后抗滑稳定计算安全系数比较

据表4可知，在正常运用条件下，填土后堤基抗滑稳定计算安全系数较填土前有所降低，填土对大堤抗滑稳定不利。

3.2 沉降

本堤防2011年12月开始实施建设，2013年4月竣工，至今已超过7年持续固结，可认为其在自重作用下已完成固结，仅考虑因填土新增荷载引起的堤身和堤基最终沉降量。

3.2.1 计算方法与参数选取

结合实际，选取5条代表性地质剖面，采用分层总和法，按式（3）计算最终沉降，压缩层计算厚度按式（4）确定，实际压缩层厚度小于式（4）计算值时，按实际压缩层厚度计算沉降量。

式中S——最终沉降量，mm；

n——压缩层范围土层数；

hi——第i层土厚度，mm；

σz——计算层面处土附加应力，kPa；

Esi——第i层土压缩模量，MPa；

m——修正系数，软土地基取1.3～1.6，本次取1.5；

σB——计算层面处土自重应力，kPa。

本次计算采用土体物理力学参数见前述表2。

3.2.2 计算成果

本次选取的5条代表性地质剖面计算成果见表5。

表5 沉降计算成果 mm

据表5可知，填土引起大堤沉降明显，具自堤内向堤外递减的特征，沉降结束堤顶高程较原设计高程一般低0.1～0.5 m（见表6）。建议结合堤顶路面改造采取加高措施，以保证堤顶在地基沉降结束时能满足设计要求。

表6 堤顶高程在沉降结束与原设计值比较 m

3.3 渗透稳定

堤内大面积填筑黏性土后，相当于背水侧压重增加，渗透路径显著加长，相应水力坡降大幅度减小，较填土前更有利于渗透稳定。因此，本堤防在填土后不存在堤基渗透稳定问题。