許冶佳，張 鵬，郭志揚(yáng)

(1.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江 哈爾濱 150081；2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

潰口修復(fù)段堤防局部沉陷成因分析

許冶佳1，張 鵬2，郭志揚(yáng)2

(1.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江 哈爾濱 150081；2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

潰口堤防在搶險(xiǎn)封堵中受各方面因素限制，可能存在薄弱環(huán)節(jié)，運(yùn)行中往往會(huì)出現(xiàn)管涌、滲漏與邊坡失穩(wěn)等險(xiǎn)情。為此，及時(shí)查明出險(xiǎn)情況，做出成因診斷，對于評價(jià)堤防安全，采取相應(yīng)措施意義重大。本文以某潰口修復(fù)段堤防為例，綜合運(yùn)用探地雷達(dá)、沉降觀測等手段，對岸坡的局部沉陷成因做出了合理分析。即潰修段填筑以粗顆粒風(fēng)化料為主，級(jí)配差，加之搶險(xiǎn)施工碾壓不密實(shí)，在高水位下易出現(xiàn)滲透變形引發(fā)的沉陷。今后類似潰決堤防堵口需改進(jìn)填料、加強(qiáng)防滲措施。

堤防；隱患探測；沉降觀測；成因分析

我國堤防洪水期出險(xiǎn)包括管涌、漏洞、脫坡、散浸、跌窩等，類型復(fù)雜，除險(xiǎn)加固難度大[1]。因此，及時(shí)查明險(xiǎn)情類型，合理進(jìn)行成因分析，對于堤防安全運(yùn)行至關(guān)重要。通常堤防的險(xiǎn)情分析主要從兩方面入手，其一是總結(jié)歷年險(xiǎn)情情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷險(xiǎn)工險(xiǎn)段與類型成因[2]；其二是通過理論計(jì)算，結(jié)合土體試驗(yàn)完成險(xiǎn)情定性分析[3]。上述方法雖然能基本滿足堤防險(xiǎn)情分析的要求，但對于缺乏歷年相關(guān)資料、影響因素復(fù)雜的潰口修復(fù)段堤防，則可能存在誤判、漏判的情況。因此有必要進(jìn)行針對性研究。

本文以某潰修段堤防為例，針對出現(xiàn)的迎水坡局部沉陷，首先初步判斷其破壞機(jī)理，然后使用探地雷達(dá)方法大致確定隱患類型與分布，進(jìn)而在沉降監(jiān)測資料處理基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對其異常值進(jìn)行評判，最終實(shí)現(xiàn)險(xiǎn)情的綜合分析，并提出合理建議。

1 岸坡沉陷概述

某堤段全長約600 m，其中450 m為2013年特大洪水后潰口重修段。堤頂寬8 m，兩側(cè)坡比均為1∶4，迎水坡自上而下依次鋪設(shè)15 cm厚混凝土護(hù)板、10 cm砂礫石墊層和復(fù)合土工膜；背水坡暫時(shí)未作覆蓋處理。迎水坡前約有60 m灘地，鋪有砂礫石墊層，江邊設(shè)有拋石護(hù)岸，整個(gè)迎水側(cè)布置有防滲墻與土工膜，防滲設(shè)施較為完善。潰口搶險(xiǎn)施工時(shí)，由于沖坑較深，首先對底層采用毛石擠淤法，其上回填風(fēng)化料至地面，頂層加高培厚砂性土約2 m。

由于搶險(xiǎn)施工時(shí)間緊迫，在填料組成、施工質(zhì)量控制方面難以嚴(yán)格要求，同時(shí)存在雨天施工與冬期施工的情況，推測填料密實(shí)度方面可能相較普通堤防稍差，但該堤段采取了相對完善的滲控措施，因此在險(xiǎn)情分析方面具有一定復(fù)雜性。

現(xiàn)場觀察到研究堤段樁號(hào)2+240附近，迎水坡中下部發(fā)生較明顯沉陷，混凝土板下凹，雖然對墊層重鋪修復(fù)，但經(jīng)過汛期，該位置再次出現(xiàn)明顯的沉陷。考慮到該處為潰口重修段的特殊性，沉陷關(guān)聯(lián)因素較為復(fù)雜，可能涉及潰修段填料性質(zhì)、搶險(xiǎn)填筑時(shí)遺留的隱患、防滲設(shè)施的破損以及雨水坡面入滲等，固有必要對其成因開展綜合分析?，F(xiàn)場沉陷險(xiǎn)情如圖1所示。

2 破壞機(jī)理初步分析

研究堤段所處地層為沖積形成的第四系松散堆積層，參照地勘資料，堤防表面1.1～4 m以下為級(jí)配不良細(xì)砂，為加高培厚部分，其下潰口封堵層包含有大量的碎石、卵石、礫石、及砂粒料，屬于中等透水-強(qiáng)透水特性，抗?jié)B穩(wěn)定較差；堤基則由級(jí)配不良粗砂及原始堆積的低液限黏土、級(jí)配不良細(xì)砂、級(jí)配不良中砂組成。堤段主要土層參數(shù)見表1。

圖1 迎水坡現(xiàn)場沉陷情況

填土巖性干密度ρd/(g·cm-3)孔隙比e含水率w/%粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)滲透系數(shù)k/(cm·s-1)級(jí)配不良細(xì)砂————245×10-3級(jí)配良好粗砂————284×10-2低液限黏土1.440.90227.720185×105

故該堤段主體填料以粗砂風(fēng)化料為主，承載力高，抗剪強(qiáng)度較好，且兩側(cè)坡度較緩，抗滑穩(wěn)定滿足要求，但風(fēng)化料粗顆粒含量大，骨架作用明顯，滲透系數(shù)大，主要風(fēng)險(xiǎn)以滲透破壞為主。當(dāng)達(dá)到臨界水力坡降后，土體中細(xì)顆粒會(huì)沿粗顆粒骨架流失，即出現(xiàn)管涌類型的滲透破壞[4]。該破壞方式多出現(xiàn)于顆粒級(jí)配稍差、不均勻系數(shù)大的砂礫料土層中[5]。綜上所述，初步推斷研究堤段沉陷為滲透破壞所致，考慮該位置填筑時(shí)留有隱患，在高水位或坡面雨水入滲作用下，土體流失，堤防失去支撐，從而出現(xiàn)局部跌窩現(xiàn)象。結(jié)合填料物理力學(xué)特性，存在細(xì)顆粒沿集中滲漏通道流失，發(fā)生管涌破壞的風(fēng)險(xiǎn)。初步確定破壞機(jī)理后，針對險(xiǎn)情發(fā)生位置的隱患范圍、類型與破壞原因進(jìn)行分析。

3 成因綜合分析

3.1 隱患探測分析

本文采用探地雷達(dá)方法對該區(qū)域附近開展隱患探測工作。探地雷達(dá)(GPR)是無損檢測的代表手段[6]，在不對目標(biāo)體造成損傷的前提下，即可獲得較高的精度與直觀的結(jié)果，工作效率高。其原理是通過天線向地下目標(biāo)體發(fā)射電磁波，由于不同地層或介質(zhì)存在電性差異，所以通過解譯反射回的電磁波信號(hào)就可以獲得地下介質(zhì)的分布情況。雷達(dá)圖像解譯關(guān)鍵在于識(shí)別異常信息，主要通過分析同相軸形態(tài)、雷達(dá)波振幅、頻率等，同時(shí)也要結(jié)合具體的地質(zhì)特征和以往的探測經(jīng)驗(yàn)綜合判斷。

探地雷達(dá)野外探測主要流程如圖2所示[7]。

圖2 雷達(dá)野外探測流程圖

潰修段堤防探測目標(biāo)主要為填筑不密導(dǎo)致的裂隙、空洞及富水區(qū)域，反映在波形特征表現(xiàn)為同相軸錯(cuò)斷、強(qiáng)反射區(qū)與多次反射等。在現(xiàn)場以沉陷部位為中心，向兩側(cè)擴(kuò)展，分別在堤頂、迎水坡坡面、坡腳，沿堤防軸向布置三條測線，以探測不同位置與深度的隱患情況。選擇天線中心頻率100 MHz時(shí)窗開至300 ns，采樣率取1024采樣/測點(diǎn)，采樣頻率設(shè)為30測點(diǎn)/秒，測量時(shí)選擇自動(dòng)增益，后期數(shù)據(jù)處理時(shí)再作修正。平滑降噪取3 MHz，低通濾波為300 MHz，高通濾波為25 MHz。完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置后，即可沿測線拖動(dòng)天線進(jìn)行探測。在對雷達(dá)結(jié)果處理分析后，發(fā)現(xiàn)坡腳測線190～210 m出現(xiàn)異常，圖像如圖3所示。

圖3 迎水坡坡腳雷達(dá)圖像

由圖3可知，大部分區(qū)域反射波平緩，隨深度平穩(wěn)衰減，同相軸連續(xù)，說明填筑密實(shí)度較好。但是在剖面水平距離190～210 m之間，垂直深度1～3 m的范圍內(nèi)，同相軸出現(xiàn)斷裂與局部不連續(xù)的情況，同時(shí)接收到的反射波強(qiáng)度與同深度相比有所增大，而沉陷則恰好出現(xiàn)在這一區(qū)域。由此推斷該處可能受搶險(xiǎn)封堵時(shí)間緊迫、質(zhì)量控制不嚴(yán)等因素制約，碾壓填筑不密實(shí)，存在小的空洞與含水裂隙。

根據(jù)雷達(dá)探測結(jié)果，基本確定了坡腳隱患的類型與分布，但沉陷發(fā)生的具體原因仍無法確定，還需結(jié)合沉降監(jiān)測資料作進(jìn)一步分析。

3.2 沉降監(jiān)測資料分析

排除現(xiàn)場監(jiān)測期間人為活動(dòng)干擾，結(jié)合破壞位置的填土特性與隱患情況，可以確定沉陷的發(fā)生與堤防內(nèi)滲流情況密切相關(guān)。另外，該區(qū)域夏季降雨強(qiáng)度大、歷時(shí)短，加之迎水坡有混凝土板保護(hù)，雨水主要以地表徑流形式排走，可排除降雨入滲對堤身的破壞作用[8]。同時(shí)，在江水位較低時(shí)并未發(fā)生沉陷，水位上漲后出現(xiàn)該問題。因此，江水位的漲落是引起沉陷的外部決定性因素。

現(xiàn)場布設(shè)了多個(gè)垂直位移觀測點(diǎn)，用以監(jiān)測堤段不同位置的變形情況。本次所研究的岸坡沉陷位置，包含在沉降與水位觀測范圍之內(nèi)，大致處于測點(diǎn)DS15-DS16之間，沉降觀測依據(jù)二等水準(zhǔn)規(guī)范，使用精密光學(xué)水準(zhǔn)儀配合測微器、銦鋼尺，采用閉合水準(zhǔn)路線，高程基點(diǎn)選定在附近沉降穩(wěn)定的村莊，通過10個(gè)過渡點(diǎn)引至堤腳，再經(jīng)過堤頂與堤腳共計(jì)42個(gè)測點(diǎn)組成閉合回路，完成水準(zhǔn)方案布設(shè)。測點(diǎn)分布如圖4所示。

其中觀測總歷時(shí)為5個(gè)月(5月26日—10月14日)，每測次之間間隔15～20 d。觀測周期內(nèi)主要影響因素包含堤防自重、堤頂活荷載、江水位的漲落、降雨、溫度等，其中個(gè)別測點(diǎn)可能受到重型車輛碾壓等人為破壞，已在資料粗差分析中剔除，而后對預(yù)處理過的數(shù)據(jù)作出沉降累積曲線，如圖5所示。其中橫坐標(biāo)為測點(diǎn)編號(hào)，縱坐標(biāo)為累積沉降量。通過分析沉降累計(jì)曲線，可以看出大部分堤頂測點(diǎn)沉降均在12 mm以內(nèi)，堤腳沉降則不超過6～8 mm，并且每次測量大多數(shù)點(diǎn)位的沉降值基本連續(xù)變化，且沉降速率逐步減小，說明整體沉降符合規(guī)律。

但對比堤頂測點(diǎn)DS15、DS16在7月17日與7月28日的兩次測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生了較大的沉降值突變，而迎水坡沉陷恰好發(fā)生在這兩個(gè)測點(diǎn)之間，結(jié)合雷達(dá)探測結(jié)果，該處堤防可能存在填筑不密實(shí)的情況，說明期間某些環(huán)境量的改變誘發(fā)了本已薄弱的堤段發(fā)生明顯沉陷。在8月9日及其后測量中，沉降值又恢復(fù)連續(xù)變化規(guī)律。堤防各測點(diǎn)累計(jì)沉降曲線如圖5所示。

圖5 測點(diǎn)累積沉降值曲線

根據(jù)以上監(jiān)測資料，岸坡沉陷集中發(fā)生在7月中旬，而這一時(shí)期正處于該流域汛期，江水位恰位于一年中極值。在該水位下測點(diǎn)沉降值突然增大，而之前沉降均以漸變形式變化，說明高水位時(shí)，江水可能沿土工膜破損或結(jié)合不良位置滲入堤身，對填筑不密，存在孔洞、裂隙、松散土層的薄弱部位造成滲透破壞，滲水沿孔隙通道帶走細(xì)顆粒，使堤防迎水坡局部失去支撐，而引發(fā)岸坡沉陷發(fā)生。

4 結(jié)論與建議

綜合上述分析過程，首先通過土體物理力學(xué)參數(shù)，判定了堤防沉陷破壞的機(jī)理為細(xì)顆粒在滲透水流作用下沿粗骨架空隙流失，進(jìn)而引發(fā)岸坡局部沉陷；然后通過探地雷達(dá)隱患探測方法，大致確定了隱患類型為局部土體填筑不密實(shí)，其分布在迎水坡坡腳以下垂直距離3 m，水平約20 m的范圍內(nèi)； 最后，依據(jù)布設(shè)在潰修段堤防的監(jiān)測設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，在資料處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合斷面位置水位與該位置測點(diǎn)累積沉降曲線，推斷出岸坡破壞成因應(yīng)為迎水坡局部土工膜破損或土工膜接合處理不當(dāng)，導(dǎo)致在高水位時(shí)，江水透過土工膜滲入堤身，將本身填筑不密部位的細(xì)顆粒帶走，產(chǎn)生滲透破壞，表現(xiàn)為堤防局部岸坡沉陷。

針對本次研究中潰修段堤防出現(xiàn)的問題，提出兩點(diǎn)建議如下：

(1)潰修段堤防主要破壞形式為滲透破壞，因此要加強(qiáng)防滲墻、土工膜等防滲措施的質(zhì)量控制，特別對于作為薄弱環(huán)節(jié)的土工膜接縫，可以采取新的工藝和方法，保證防滲效果[9]。

(2)潰口封堵屬于搶險(xiǎn)施工，工期緊迫，但在施工時(shí)也要加強(qiáng)質(zhì)量控制，盡量保證填料合理的顆粒級(jí)配，填筑碾壓時(shí)避開雨期與冬季或盡量減小其不利影響，保證填筑的密實(shí)度。做到堵口施工少留甚至不留隱患，為堤防安全運(yùn)行提供保障。

通過開展對潰口修復(fù)段堤防破壞成因的分析研究，明確其破壞機(jī)理，總結(jié)分析手段與方法，不僅可以指導(dǎo)當(dāng)前及類似存在問題堤防的除險(xiǎn)加固，同時(shí)也可為今后堤防封堵?lián)岆U(xiǎn)工作提供參考與建議。

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Analysis of embankment partial subsidence in repair section after broken

XU Yejia1, ZHANG Peng2；GUO Zhiyang2

(1.HeilongjiangSanjiangEngineeringConstructionAdministrationBureau,Harbin150080,China; 2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineeringinHohaiUniversity,Nanjing210098,China)

There might be some dangerous situation such as piping, leakage and slope instability etc, when the broken embankment has been repaired urgently. So it was important to figure out the exiting threatened situation and make genetic diagnosis timely, which can help to evaluate its safety index and take corresponding measures. In this paper, the rational reasons of partial subsidence was analyzed by taking comprehensive approaches such as ground penetrating radar and observed settlement. The conclusion showed that the coarse particles weathered material which was filled with the broken dike has poor gradation and leakiness rolling craftwork. Therefore it was easy to appear the settlement caused by seepage deformation. It was necessary to take some measures to strengthen filling materials in similar situation.

embankment; latent danger detection; settlement observation; cause analysis

許冶佳(1984-)，男，黑龍江綏化人，工程師，主要從事水工安全監(jiān)測方面的工作。E-mail:150779374@qq.com。

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2096-0506(2017)06-0023-05