彭常青，吳長江，賀金仁，張李萍

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002)

1 問題的提出

由于軟土的含水率高、承載力低、物理力學指標差、靈敏度大，軟土地基上的堤防往往出現(xiàn)堤頂裂縫、堤后隆起現(xiàn)象，這是由于堤防整體失穩(wěn)引起的。而由于軟土的靈敏度高，受擾動后抗剪強度急劇降低，甚至出現(xiàn)流塑現(xiàn)象，因此在堤防加固過程中，要慎重選擇加固方案。特別是某些地基處理措施，不僅投資大，施工要求較高，運用不當還會增加施工期老堤的滑動風險，加劇堤防的滑動。鎮(zhèn)壓層法作為最古老的滑坡處理措施，不僅施工簡單，質(zhì)量可靠，在場地允許的范圍內(nèi)，投資往往也最節(jié)省。根據(jù)近年來對軟土地基上失穩(wěn)堤防的加固實踐，以相對典型的浙江省東苕溪北塘和浦陽江下四湖某堤段為例，介紹鎮(zhèn)壓層法在堤防滑坡治理上的應(yīng)用。

2 鎮(zhèn)壓層法的基本理論

鎮(zhèn)壓層的作用［1］:①鎮(zhèn)壓層的作用是起抗滑平衡作用，通過增加抗滑體的抗滑力矩來克服滑動體的滑動力矩，進而提高邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);②在鎮(zhèn)壓層的豎向荷載作用下，使地基因加荷而受剪的應(yīng)力狀態(tài)得以改變，壓制地基因荷載而出現(xiàn)的塑性擠出和地面隆起的趨勢;③在鎮(zhèn)壓層的豎直荷載作用下，使軟土地基產(chǎn)生部分固結(jié)，從而提高鎮(zhèn)壓層下的地基強度。

鎮(zhèn)壓層法的基本理論為土質(zhì)邊坡抗滑理論，堤防工程一般采用瑞典條分法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，在不考慮空隙水壓力情況下，其計算公式為:

式中:K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);Wi為第i滑動土條的重力，kN;αi為第i滑動土條底滑面的傾角，°;li為第i滑動土條滑弧長度，m;ci為第i滑動土條底面的粘聚力，kPa;φi為第i滑動土條底面的內(nèi)摩擦角，°。

定義經(jīng)過滑動圓弧圓心的鉛垂線為軸線，由圖1可知，軸線左側(cè)為主滑動區(qū)域，軸線右側(cè)為阻滑體區(qū)域，根據(jù)公式當增大軸線與坡面交點f右側(cè)區(qū)域的土體重量時，其抗滑力增大，滑動力減小(負值)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)提高。

設(shè)計鎮(zhèn)壓層尺寸時，其寬度和厚度均不能太小，否則起不到鎮(zhèn)壓的作用。根據(jù)經(jīng)驗:

鎮(zhèn)壓層寬度b=(2.0～3.0)H

式中:H為堤壩的高度，m。

此外，鎮(zhèn)壓層的厚度還應(yīng)小于軟土地基上的極限填筑高度，以免由于壓載超出地基土的極限承載力，產(chǎn)生新的剪切破壞［2］。

式中:Cu為軟土不排水剪的凝聚力，kPa;γ為填土的容重，kN/m3。

鎮(zhèn)壓層的具體尺寸需根據(jù)堤身的高度，地基軟土的物理力學指標，通過堤身整體抗滑穩(wěn)定分析確定。

3 東苕溪北塘某堤段工程

3.1 堤防基本情況

該堤段總長約2.10km，根據(jù)流域規(guī)劃該段控制堤距為90.00m，上游0.70km(樁號0+000～0+700m)河段現(xiàn)狀堤距約400.00～100.00m，滿足規(guī)劃要求，下游1.40km(樁號0+700～2+100m)河段現(xiàn)狀堤距約60.00～80.00m，需進行退堤，最大退堤幅度30.00m。

地質(zhì)勘探揭示地層從上至下依次為:Ⅰ層粉質(zhì)黏土，厚度4.90～6.10m，含水率ω=15.2% ～28.4%，孔隙比e=0.571～0.930，為堤身填筑土;Ⅱ?qū)臃圪|(zhì)黏土，厚度0.00～4.00m，含水率ω=24.0% ～32.5%，孔隙比e=0.766～0.927，堤防沿線均有分布，為地表硬殼層，但由于老堤在歷次填筑過程中，直接在堤后取土，因此堤后現(xiàn)狀有連片的魚塘，在魚塘內(nèi)該層缺失;Ⅲ層淤泥質(zhì)黏土，厚度4.00～8.00m，在魚塘、水田處直接揭露，含水率 ω=34.9% ～57.1%，孔隙比e=1.016～1.734，物理力學性質(zhì)相對較差，是堤身穩(wěn)定的控制性土層;Ⅳ層黏土，揭露最大厚度13.25m，含水率ω=19.7%～31.7%，孔隙比e=0.594～0.896。各主要土層物理力學指標建議值見表1。

堤防設(shè)計斷面 (見圖2):堤身高度約8.50m，堤頂高程9.00m，頂寬6.00m，迎水側(cè)、背水側(cè)坡比均為1∶2.5，背水坡高程4.00m處設(shè)6.00m寬防汛道路。

表1 北塘某堤段物理力學指標建議值表

圖2 東苕溪北塘某堤防斷面圖 單位:cm

3.2 堤防存在的問題及分析

工程于2010年10月開工，施工單位開始堤身土方及鎮(zhèn)壓平臺填筑，2011年01月15日施工過程中，樁號1+940～2+070m段，長約130.00m堤頂出現(xiàn)裂縫，背水坡防汛道路、鎮(zhèn)壓平臺出現(xiàn)隆起現(xiàn)象;2011年03月01日樁號0+810～1+395m段約585.00m，2011年03月07日樁號0+940～1+020m段約80.00m相繼出現(xiàn)了類似問題。

由于初步設(shè)計階段魚塘段未布孔，地質(zhì)勘探揭示淤泥質(zhì)黏土厚僅為2.00～3.00m，考慮清表后淤泥質(zhì)黏土層厚只有0.50～1.50m。施工過程中對滑坡段補堪后發(fā)現(xiàn)，魚塘內(nèi)淤泥質(zhì)黏土層厚度達4.00～8.00m，且該層為流塑、高壓縮性軟土，對該段進行整體穩(wěn)定分析后發(fā)現(xiàn)其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅0.91～0.98，堤防處于失穩(wěn)狀態(tài)，計算滑弧與現(xiàn)場滑動面基本吻合。

3.3 加固處理設(shè)計

該段堤防出現(xiàn)堤后隆起、堤頂裂縫現(xiàn)象實際上是堤防整體失穩(wěn)，本質(zhì)是堤身新填筑土重量超出了堤基淤泥質(zhì)黏土的承載力，導致土體發(fā)生剪切破壞。為此設(shè)計單位提出了如下處理方案:

(1)堤后塘渣鎮(zhèn)壓。在堤腳防汛道路隆起處加寬、加厚鎮(zhèn)壓平臺，通過加載反壓增加堤防的抗滑力。該方案的優(yōu)點是施工簡單，質(zhì)量有保證，見效快;缺點是需新增部分占地。

(2)排水固結(jié)法。借鑒海堤地基處理經(jīng)驗，在堤腳防汛道路處設(shè)塑料排水板或砂井等豎向排水井，然后在背水坡鎮(zhèn)壓平臺上分級加載預(yù)壓，使土體中的孔隙水排出，逐漸固接，土體強度逐步提高。該方案的優(yōu)點是經(jīng)加固后土體可固結(jié)70%～80%以上，土體抗剪強度指標提升幅度較大，且不需要額外占地。缺點是從施工到土體固接完成需要的時間較長，另外為滿足堤后加載需要，背水坡防汛道路處客觀上也需額外增加鎮(zhèn)壓平臺。

(3)地基處理法。在背水坡防汛道路處設(shè)4排間距、排距均為100cm的D60水泥攪拌樁，通過水泥與土的物理化學反應(yīng)后，使堤基淤泥質(zhì)黏土的性能發(fā)生變化。該方案的優(yōu)點是經(jīng)攪拌樁加固后的堤基物理力學指標顯著提高。缺點是由于堤基淤泥質(zhì)黏土靈敏度高，在攪拌樁施工過程中可能對土體產(chǎn)生擾動，土的抗剪強度顯著降低，誘導滑坡進一步加劇，且從施工完畢至發(fā)揮設(shè)計強度一般需要90d左右，時間相對較長。

綜合考慮施工速度、質(zhì)量控制和投資，且堤后現(xiàn)狀均為魚塘，政策處理也相對較容易，此次采用了鎮(zhèn)壓法進行加固處理。經(jīng)計算將原設(shè)計鎮(zhèn)壓平臺整體抬高1.50m，寬度增加到12.00m后見圖2，其整體穩(wěn)定安全系數(shù)提高至1.12～1.29，滿足規(guī)范要求，且略有余度。目前該段已經(jīng)施工完畢，此后均未發(fā)生新的滑動，鎮(zhèn)壓效果較好。

4 浦陽江下四湖某堤段工程

4.1 堤防基本情況

該堤段總長約1.00km(樁號0+000～1+000m)，地質(zhì)勘探揭示地層從上至下依次為:Ⅰ0層人工填筑碎石土，碎石粒徑以6.00～10.00cm為主，厚度約2.00～3.50m，為背水坡鎮(zhèn)壓平臺填筑料;Ⅰ1層人工填筑粉質(zhì)黏土，厚度為5.20～7.70m，含水率=22.1% ～38.2%，孔隙比0.677～1.057，為堤身填筑土;Ⅱ2層黏質(zhì)粉土，厚度約為1.90～3.30m，含水率 =24.2% ～35.0%，孔隙比 0.720～1.003，為地基硬殼層，迎水面該層缺失;Ⅲ層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，軟塑～流塑，厚度為14.10～17.30m，含水率=30.8% ～47.8%，孔隙比1.007～1.358，該層物理力學指標低，是堤防穩(wěn)定的控制性土層;Ⅳ1層黏質(zhì)粉土，厚度約為1.60～2.70m，含水率=29.4% ～37.2%，孔隙比0.885～1.066;Ⅶ層含泥砂礫石，松散～稍密，該層未揭穿。各主要土層物理力學指標建議值見表2。

堤防斷面尺寸 (見圖3):堤防高度約12.00m，為斜坡式土堤結(jié)構(gòu)，堤頂高程12.00m，堤頂寬約5.00m，迎水面坡比約1∶1.7，背水坡高程約8.00m處有5.00～6.00m寬鎮(zhèn)壓平臺，鎮(zhèn)壓平臺以上坡比1∶2，平臺以下為干砌石矮擋墻，背水坡地面高程5.00～7.00m。

表2 下四湖某堤段物理力學指標建議值表

圖3 浦陽江下四湖某堤防斷面圖 單位:cm

4.2 堤防存在的問題及分析

2012年11 月上游段 (樁號0+154～0+448m)294m堤頂出現(xiàn)了2cm左右貫通性裂縫，至2013年11月堤頂裂縫基本全線貫通，寬度2～5cm。對該段進行整體穩(wěn)定分析后發(fā)現(xiàn)其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅0.82～0.99，堤防處于失穩(wěn)狀態(tài)，計算滑弧入口位置與堤頂開裂位置基本重合。設(shè)計單位對堤防滑動的原因有3點:

(1)迎水坡堤腳掏空和堤基深厚軟土層是堤防失穩(wěn)的內(nèi)因。該河段為浦陽江險工段之一，江道順直、狹窄，堤腳沖刷較嚴重，深泓逼岸，目前該段堤腳已無灘地保護;堤防對岸為駁船碼頭，每天過往船只頻繁，河道水面寬度不足100m，船行波的作用加快了堤腳的淘刷。

(2)堤頂重型車輛的通行是堤防失穩(wěn)的外因。堤防所在地附近工地較多，堤頂為其主要的交通道路之一，每天20t以上的重車頻繁通過，加大了堤防的滑動荷載。

(3)迎水面堤防較陡也是堤防滑動的重要原因之一?，F(xiàn)狀迎水面坡度僅1∶1.7，且堤身土方填筑也較松散，坡面失穩(wěn)的可能性也較大。

4.3 加固處理設(shè)計

根據(jù)堤防滑動的成因分析，該段堤防不僅要解決堤防整體穩(wěn)定、坡面局部穩(wěn)定，還需要解決堤腳防沖問題。而由于背水面現(xiàn)狀穩(wěn)定且完好，因此在迎水面加固比較經(jīng)濟合理。設(shè)計階段對鎮(zhèn)壓法、地基處理法、灌注樁抗滑等進行過經(jīng)濟技術(shù)比較?？紤]到塘渣鎮(zhèn)壓具有施工簡單，投資省，見效快，施工質(zhì)量也容易控制，本次選用了鎮(zhèn)壓層法進行加固。

加固后的方案 (見圖3)。在堤腳高程5.0m(現(xiàn)狀河水位4.5m)處設(shè)9.8m寬塘平臺，其中內(nèi)側(cè)塘渣寬6.8m，外側(cè)拋石3.0m，坡面結(jié)合減載將坡度放緩至1∶2.5，堤頂設(shè)2.0m高混凝土防洪墻，同時要求限制堤頂重車通行。經(jīng)計算其整體穩(wěn)定安全系數(shù)達1.19，滿足規(guī)范要求，且略有余度。目前該段也已經(jīng)施工完畢，施工后堤防未出現(xiàn)過滑動，鎮(zhèn)壓效果較好。

5 結(jié)語

(1)采用鎮(zhèn)壓層法處理軟土地基上堤防的穩(wěn)定問題，施工簡單方便，且不需要特殊的施工機具，施工質(zhì)量容易控制，鎮(zhèn)壓效果顯著;用于鎮(zhèn)壓的填料可就地取材;位于背水坡的鎮(zhèn)壓平臺不僅能起到壓滲作用，又在洪水期間可作護堤搶險的工作場地。

(2)鎮(zhèn)壓法增大了地基的沉降量，因此對于土堤、土壩等可以承受較大沉降量的柔性建筑物運用比較合適，對變形敏感的混凝土或砌石擋墻堤防或附近有房屋的場地而言，不宜采用。

(3)鎮(zhèn)壓平臺填筑時需控制施工速度，大量工程經(jīng)驗表明，由于填土速度過快，地基強度降低的幅度可達10%～20%左右，施工過程中產(chǎn)生深層滑動的可能性較大。

［1］俞仲泉.水工建筑物軟基處理［M］.北京:利電力出版社，1989.

［2］中華人民共和國水利部.GB 50286—2013堤防工程設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2013.