软基堤防整体抗滑稳定计算研究

郭显顶，韦禹琛

（1. 苍南县水利局,浙江 苍南 325899; 2. 浙江正源水利水电勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 310051）

1 前言

浙江地区以淤泥质软黏土为主,其抗剪强度小,灵敏度高,且具有一定触变性,渗透性小,在外部附加荷载作用下,其土体内的超静孔隙水压力消散很慢[1],如施工期常来不及完全排水固结,且由于灵敏性高,即扰动后强度降低较多,时常发生滑坡危险。

十字板指标在水运工程中应用较为广泛[2],但目前水利工程设计中对十字板指标应用较少,刘润等[3]对软粘土边坡稳定性分析中十字板强度取值问题进行了探讨；闫训海等[4]以黄浦江堤防某失稳边坡为例,分析了软土失稳边坡加固重建后的稳定计算的影响情况；黄朝煊等[5]对软基上的海堤稳定计算进行了研究,给出了海堤外坡综合坡比经验计算公式。徐光明等[6]通过离心试验对软土地基上堤防稳定性进行了研究,根据试验分析了不同工况下滑弧产生的范围和特点。黄勇博等[7]借助Geo-Studio Slope/W 和Seep/W 软件模块,建立均质土堤防边坡模型,并对不同的坡角、内摩擦角、黏聚力、坡顶荷载、水位及土体渗透性等参数进行了敏感分析。黄朝煊[8]利用淤泥固化法对软基上的堤防进行了加固处理。

鉴于当前软基上的堤防稳定计算中存在的软土参数取值、计算方法等影响,本文依托典型工程案例,对失稳段堤防进行深入计算分析。

2 工程案例

浙江省某河道整治工程[9]的河道总长61.18 km,工程任务是通过对苕溪流域主要河道的水环境改善和河道整治工程,提高区域防洪能力,兼顾航运等综合利用。

其中一段河道为新开河道,现状地面高程2.5 m～3.5 m 拓浚河底宽40 m,河底高程-1.8 m。堤防防洪标准为20 年一遇,堤防等级4 级,设计洪水位4.65m～4.10m,常水位1.30 m。设计堤顶高程5.50 m,堤顶设防浪墙,防浪墙顶高程5.9 m。设计堤防为低挡墙复式断面,挡墙基础采用水泥搅拌桩处理,其中堤防典型断面图见图1～图2。

图1 河道典型断面图

图2 挡墙基础处理图

该段在施工过程中,新开河道段多处堤防迎水侧小挡墙出现水平滑移,最大滑移量达1.4 m。

发生挡墙滑移段主要集中在右岸,现场照片见图3。

工程区钻探深度内土层自上而下描述如下：

Ⅰ1层人工填土（rQ）,Ⅰ2塘泥或浮泥,Ⅱ1层粉质黏土（al-ehQ43）,Ⅲsl砂质粉土混淤泥,Ⅲ2层淤泥质黏土（mQ42）,Ⅲsil层淤泥（mQ4）,Ⅳ1层粉质黏土（al-lQ41）,Ⅳsl层（al-lQ4）。其中各土层物理力学指标见表1。

表1 土层物理力学指标建议值表

鉴于淤泥软土具有一定触变性（灵敏性）,对其中软弱淤泥层进行了十字板剪切试验,其原位十字板剪切强度见表2。

表2 Ⅲsil 淤泥、Ⅲ1 淤泥质粉质黏土十字板指标表

3 整体抗滑稳定计算分析

边坡整体稳定计算分别采用Autobank软件计算。根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）[10],堤防边坡抗滑稳定计算可采用瑞典圆弧滑动法和简化毕肖普法。

瑞典圆弧法计算公式：

简化毕肖普法计算公式：

式中：W为土条重量,kN；Q、V为分别为水平和垂直地震惯性力（V向上为负,向下为正）,kN；u为作用于土条底面的孔隙压力,kN/m2；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角,（°）；b为土条宽度,m；c'为土条底面的有效凝聚力,kN/m2；φ'为条底面的有效内摩擦角,（°）；MC为平地震惯性力对圆心的力矩,kN·m；R为圆弧半径,m。

从试验过程上看,直剪法土样在取样和运输过程中受到扰动,试验时土体抗剪强度指标可能小于实际。地质工程师提供的各土层建议值是由土工试验小值平均值分析得到,相对偏于保守。根据本工程区域附近其它工程经验,也验证采用快剪建议值计算稳定相对偏于保守。

根据《堤防工程设计规范》[10],施工期稳定采用总应力法计算。当地基为饱和黏性土,并以较快的速度填筑堤身时,可采用快剪或现场十字板强度指标。根据以往工程经验,现场十字板强度指标更能真实反映河道整治工程实际,因此施工图阶段稳定复核地质参数设计采用现场十字板强度指标。

4 稳定计算成果及讨论

根据《堤防工程设计规范》[10],土的抗剪强度指标可用三轴压缩试验测定,亦可用直剪试验测定。当地基为饱和粘性土,并以较快的速度填筑堤身时,可采用快剪或不排水剪的现场十字板强度指标。土堤边坡抗滑稳定方法可采用瑞典圆弧法或简化毕肖普法计算,瑞典圆弧法不计算条块间的作用力,计算简单,而简化毕肖普法考虑了条块间的作用力。

本工程地质提供的指标主要有快剪和原位十字板值。堤防施工期工况下抗滑稳定计算分析采用以下4 种组合计算模型：

①快剪指标+瑞典圆弧法；

②快剪指标+简化毕肖普法；

③十字板分层+瑞典圆弧法；

④十字板分层+简化毕肖普法。

1）计算断面

复核断面结构为现状已施工完成断面,数量及位置以地质提供的横断面位置为准,取地质条件相对较差的三个典型断面分别进行复核验算。

2）计算工况及水位

非常工况：施工期的临水堤坡。

水位组合：迎水侧为常水位1.3 m,背水侧取地面以下0.5 m。

3）计算指标

① 快剪指标,见表1。

② 十字板回归值。

③ 十字板原位分层剪切强度,见表2。

通过采用河海大学的Autobank 软基计算Y1、Y2 及Y3三个典型断面整体抗滑稳定安全系数,其计算结果见表3。

表3 右岸堤防施工期临水堤坡抗滑稳定安全系数

其中各土层采用快剪指标下的Y1、Y2 及Y3 断面计算成果图见图4。淤泥土采用十字板原位剪切值下的Y1、Y2及Y3 断面计算成果图见图5。

图4 Y2 断面采用快剪指标下抗滑稳定成果

图5 Y2 断面采用十字板原位剪切值下抗滑稳定成果

通过上述复核验算对比发现,对相同计算断面、工况和相同水位条件下,采用不同的计算指标、方法结果不尽相同。

从计算指标上看,采用地质建议的快剪值安全系数最小,采用十字板分层值稍大；从计算方法看,当计算土层摩擦角较大时,采用瑞典圆弧法所得计算值与规范允许值的差值大于采用简化毕肖普法所得计算值与规范允许值的差值；当计算土层摩擦角较小时,采用瑞典圆弧法与简化毕肖普法与其对应的规范值的差值相差较小。

综上所述,堤防施工完建期工况稳定采用十字板回归+毕肖普法计算时基本能满足规范要求,Y1、Y2 断面的安全系数小于规范允许值。考虑到堤防稳定分析仅为理论计算,实际施工中的稳定还与地质条件的复杂性、堤身填土和水泥搅拌桩的不均匀性、地下水位、施工期荷载、施工扰动等诸多因素有关。鉴于新开河段尚未进行疏浚局部已建挡墙就发生滑移,从保证工程安全角度出发,有必要对局部堤段采取加固措施。

5 加固措施分析

软弱地基堤防加固常用的手段有退堤、镇压、挖除软土置换、排水插板排水固结、振冲法、水泥搅拌桩、抗滑桩及控制填筑（开挖速率）等处理方法。

根据类似工程经验分析,堤防加固措施初拟了三个方案,分别为：

1）方案一：在现有的水泥搅拌桩基础上增设深层水泥搅拌桩加固,和已实施的水泥搅拌桩联合发挥阻滑作用。水泥搅拌桩布置在0.5 m 平台的外侧,直径D60 cm,布置间距0.8 m,排距0.8 m 梅花形布置,由各断面整体抗滑稳定计算确定桩长和排数,桩长20 m～21 m,桩底嵌入Ⅲcl 或Ⅳ层粉质黏土层,排数3～8 排。

2）方案二：在现有的水泥搅拌桩基础上增设混凝土灌注桩,和已实施的水泥搅拌桩联合发挥阻滑作用。灌注桩布置在0.5 m 平台的外侧。灌注桩采用C30D80 钢筋混凝土灌注桩。根据堤防整体抗滑稳定计算,灌注桩桩长26.5 m,锚固长度6 m～7 m,排数1～2 排,排距2 m,间距2 m～3 m。

3）方案三：减少河道疏浚断面在坡脚设镇压层方案。施工图阶段设计的河道过水断面面积较规划阶段有较大的余度,而减少河底土方疏浚有助于提高堤身整体稳定。因此,本方案通过缩小河道疏浚部分过水断面,即增加坡脚镇压平台的方式加固堤防,设计断面见图6。

图6 Y2 断面减少疏浚后的设计断面图

其中Y2 断面减少河道疏浚方量下的滑动稳定安全计算成果见图7（采用河道大学的Autobank 软件）, 计算参数采用十字板原位剪切强度值。

图7 Y2 断面采用十字板原位剪切强度下的整体稳定安全（Autobank 软件）

通过稳定复核计算,减少河道疏浚断面在坡脚设镇压层后堤防Y2 断面满足规范稳定安全系数要求。

6 结论与建议

针对目前软基堤防稳定计算中淤泥软土抗剪强度指标取值、计算方法等问题,根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）,并依托浙江省长兴县软基堤防工程,对软基堤防稳定计算进行深入计算研究,主要结论如下：

1）分别从地基土抗剪强度指标（即采用快剪指标、十字板原位剪切强度）、整体抗滑稳定计算方法（即规范推荐瑞典圆弧法和简化毕肖普法）等方面分析其影响,认为采用地质工程师建议的快剪值计算的堤防稳定安全系数值最小,而采用十字板剪切强度值计算的堤防稳定安全系数值稍大。

2）依托典型软基堤防工程,分别对Y1、Y2 及Y3 三种典型断面进行稳定计算,认为堤防施工完建期工况稳定Y1、Y2 断面的安全系数小于规范允许值。

3）鉴于新开河段尚未进行疏浚局部已建挡墙就发生滑移,从保证工程安全角度出发,有必要对局部堤段采取加固措施,通过三种加固方案对比分析,建议对其中Y1、Y2 断面采用减少疏浚量方案,并复核Y2 断面减少疏浚量后的新断面满足滑动安全稳定要求。

4）通过对软基堤防稳定控制问题分析,从施工期水位控制、减少疏浚量、迎水侧坡脚区地基土预加固处理、合理控制堤身荷载（或轻质材料填筑）、土工加筋材料及复合地基等方法进行加固处理,为类似工程设计提供计算参考。