李薦華，甘建軍，方 正，徐 翔，許 俊

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院 江西省水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029；2.南昌工程學(xué)院 鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實驗室，江西 南昌 330099)

1 工程概況

長江濟益公堤河湖相深厚淤泥質(zhì)軟基堤防位于長江干流南岸九江市下游，主要用于防護九江市區(qū)及沿岸交通、廠礦設(shè)施的安全。該堤防經(jīng)2001年加固整治后全長4.979 km，高7.05～7.82 m，屬梯形土堤，背水坡設(shè)二坡臺，堤內(nèi)腳設(shè)有壓浸臺。背水側(cè)黏土從堤頂?shù)降棠_填土厚度2.5 ～6.0 m；局部堤段設(shè)有防滲墻，墻高14.50～15.55 m，穿過堤身，墻底接近砂性土層頂面，持力層為砂性土；江岸拋石固腳護岸，最小厚度1.0 m，坡度1 ∶2.5；堤內(nèi)吹填壓浸，寬度47 m。從2005年以來，堤頂裂縫由400 m向上下游擴展到535.3 m[1-2]。

堤基分布深厚第四系河湖相結(jié)構(gòu)性沖積層，最大厚度16.6 m。上層依次為2.0～4.6 m厚的粉質(zhì)黏土、厚4.6～12.7 m的淤泥質(zhì)黏土；堤基下層依次為0.7～11.1 m厚粉細砂、0.0～16.6 m的中粗砂及砂礫石。由于軟基厚度大，分布不均，地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，導(dǎo)致工程安全和穩(wěn)定性存在較大的隱患，給堤內(nèi)防護范圍20多萬人民群眾的生命財產(chǎn)安全和廠礦企業(yè)的正常生產(chǎn)帶巨大的潛在威脅[3-6]。

2 監(jiān)測布置及分析方法

為查找出堤防裂縫發(fā)生的原因，確保堤防的安全穩(wěn)定性，在堤頂縱軸線布設(shè)了6個橫截面42個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點均可監(jiān)測水位、水平位移和垂直位移監(jiān)測點。監(jiān)測的時間為2個水文年，監(jiān)測點包括堤外腳、堤頂左緣、防滲墻頂、裂縫右緣、堤頂右緣、二坡臺、壓浸臺等，觀測點位置(見圖1)。

圖1 堤防監(jiān)測點布設(shè)示意圖

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 水平位移分析

水平位移監(jiān)測結(jié)果(見圖2)，由圖可見，堤外腳和堤頂左緣的位移量為負(fù)值，說明迎水坡具有整體向堤外移動的趨勢，其向堤外移動的位移具有上游側(cè)大于下游側(cè)的總體變化規(guī)律，其中堤外腳位移量3.3～5.5 mm，堤頂左緣位移量2.6～5.5 mm。而堤頂右緣、二坡臺、壓浸臺監(jiān)測點水平位移值均為正，說明堤背水坡具有整體向堤內(nèi)移動的趨勢。在上游段，背水坡水平位移具有坡頂位移>坡中位移>坡腳位移的規(guī)律，而在下游段，背水坡堤頂和二坡臺的位移量逐漸增大，其中堤頂右緣位移量2.5 mm增至8.0 mm；二坡臺位移量1.9 mm增至7.8 mm,說明背水坡一側(cè)下游水平>上游水平位移；而壓浸臺位移量卻逐漸減小。因此，該堤水平位移總體上迎水坡向長江偏移，背水坡向堤內(nèi)偏移，造成頂裂縫的產(chǎn)生。

圖2 堤防監(jiān)測點累積水平位移量

3.2 垂直位移分析

各測點垂直位移2個水文年累積量(見圖3)，由圖可見，土堤橫斷面特征部位表面的2年累積沉降量具有堤頂右緣>堤外腳>裂縫右緣>堤頂左緣>二坡臺>防滲墻頂>壓浸臺的特點。其中，堤外腳沉降量9.0～13.4 mm，平均沉降量11.13 mm；近迎水坡堤頂垂直位移為8.5～13.3 mm，平均垂直位移為10.56 mm；防滲墻頂沉降量6.0～10.3 mm，平均沉降量7.86 mm；裂縫右緣垂直位移量為9.7～11.7 mm，平均垂直位移10.67 mm；堤頂右緣沉降量14.3～19.2 mm，平均垂直位移17.08 mm；背水坡坡中垂直位移為8.4～12.9 mm，坡腳垂直位移為5.2～12.2 mm，平均垂直位移7.43 mm。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該軟基堤防具有持續(xù)沉降和整體沉降的發(fā)展趨勢，其平均沉降速率害0.04 mm/d。

正是由于水平位移和垂直位移的綜合影響，背水坡沉降幅度>迎水坡，其垂直位移相差2～46.2 mm。裂縫出現(xiàn)在堤頂?shù)姆罎B墻背水側(cè)邊緣，基本平行防滲墻軸線，呈單條不連續(xù)分布，且限于防滲墻設(shè)置范圍內(nèi)。裂縫長度在20～536 m之間，上游單條裂縫較短，下游單條裂縫較長。裂縫基本沿防滲墻背水面并向背水側(cè)垂直張裂，縫寬1～20 mm，可見裂開深度2.75 m。

圖3 堤防各監(jiān)測點2個水位年累積垂直位移量

3.3 水位變化與沉降速率分析

圖4所示為2個水位年的水位變化與沉降速率監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果圖，由圖4可見，監(jiān)測點斷面最大沉降速率達0.18 mm/d，其平均沉降速率與長江水位呈負(fù)相關(guān)性和滯后性，水漲則沉降減緩，水退則沉降加快，且沉降速率的滯后時間約為1個月[7-9]。

3.4 固結(jié)變形分析

為研究水位變化及上部荷載變化軟土對固結(jié)沉降變形的影響，利用GDS高級固結(jié)儀對壩基軟土進行固結(jié)壓力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa固結(jié)試驗分析，得出位移時間對數(shù)曲線e-lgt(見圖5)。其最終固結(jié)變形值分別為：0.465 1 mm、0.589 mm、1.300 2 mm、2.413 2 mm、3.407 1 mm和2.444 6 mm。

圖4 沉降速率與水位變化關(guān)系曲線

圖5 不同固結(jié)應(yīng)力下軟土e-lgt的曲線

從圖5可見，隨著固結(jié)應(yīng)力的增大，主固結(jié)時間大小關(guān)系是tp50>tp100>tp200>tp400>tp800>tp1600，說明固結(jié)應(yīng)力越大，主固結(jié)時間tp越短。在各級固結(jié)應(yīng)力作用下的曲線線型也有所不同，隨著固結(jié)應(yīng)力的提高，主固結(jié)壓縮量與總壓縮量之比(主因結(jié)比)越大，次固結(jié)占比越小。利用固結(jié)沉降的公式(1)。

(1)

式中：S—次固結(jié)沉降量；H—土層厚度，其它符號意義同式(1)。計算結(jié)果(見表1)。

表1 濟益公堤軟土地基次固結(jié)沉降量

4 軟基堤防裂縫成因分析

4.1 地下水位變化對堤基沉降變形影響分析

利用Geostudio軟件模擬地下水位變化對堤基沉降的影響(見圖6)，由圖可以看出，監(jiān)測期間，長江水位在8.40～17.20 m之間，基本是長江常年變幅水位和堤基地下水位變幅范圍。高河水位時，全年有23%的時間段內(nèi)，堤身底部僅0.00～1.63 m高度處于水下，因此，長江水位變幅對堤身變形的直接影響甚微。

當(dāng)長江水位上漲時，堤基受反向滲流力及承壓水的頂托作用，堤基軟土孔隙水壓力相應(yīng)增大，使得堤防沉降速率減緩；相反，當(dāng)迎水坡水位降低時，堤基地下水向迎水坡一側(cè)排泄，揚壓力的托浮作用減弱，堤基軟土孔隙水壓力相應(yīng)釋放而減小，使得堤基沉降增大，速率也加快，并伴隨側(cè)向蠕滑[10]，檢測資料也符合這一規(guī)律。這符合堤基軟土孔隙水壓力相應(yīng)釋加速固結(jié)變形的一般規(guī)律。同時，在江岸臨空面附近，堤基地下水的側(cè)向排泄也將使堤基產(chǎn)生側(cè)向蠕變沉降。

4.2 堤身堆載時間差異對堤基沉降變形影響分析

堤身堆載時向差異對提基沉降變形影響分析是基于堤基軟土土層結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性基本相似條件下。在堤軸線方向，堤身加載過程基本均勻，檢測資料反映其變形總量和變形速率相近。在堤身橫斷面方向，最近一次較大規(guī)模加載如圖1，由于斷面上的加載量差異明顯，從而導(dǎo)致堤基應(yīng)力的差異，表現(xiàn)為斷面各處的沉降量差異，斷面各部位加載厚度及監(jiān)測期相應(yīng)平均沉降量(見圖7)。

圖6 地下水位變化對堤防軟其揚壓力的影響

圖7 土堤斷面加載厚度與平均沉降量的關(guān)系曲線

由圖7可知，堤基所受外荷越大，各測點位移越大，新加堤載由于其次固結(jié)還未完成，其沉降量也越大，說明新加堤載對其相同部位堤基沉降量及沉降速率貢獻相對較大[8]。

4.3 防滲墻對堤基沉降變形影響分析

該堤防采用的振孔高噴垂直防滲墻技術(shù)，該墻體是一種硬度大、容生高的塑性混凝土材料。防滲墻持力層為沉降變形相對較小的砂性土，而土堤持力層是淤泥質(zhì)粘土等高壓縮性軟土，在該防滲墻荷載持續(xù)施壓下，土堤底面的軟土絕對沉降量將大于防滲墻底面砂性土的絕對沉降量。由于防滲墻兩側(cè)土堤的優(yōu)先下沉，還在防滲墻兩側(cè)產(chǎn)生的向下的負(fù)摩擦力，進而加大了防滲墻的沉降。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，防滲墻頂(裂縫左)監(jiān)測期總沉降量平均值為7.9 mm，而防滲墻兩側(cè)(防浪墻、堤頂右)土堤監(jiān)測期總沉降量平均值分別為10.6 mm和17.1 mm，說明土堤底面軟土的絕對沉降量還是大于防滲墻底面砂性土的絕對沉降量，尤其是在防滲墻背水側(cè)，兩者的沉降差量更加明顯。受防滲墻阻隔作用，土堤堤基在側(cè)向蠕變作用下，堤身產(chǎn)生垂直于堤軸線方向的張應(yīng)力，使得堤防淺表拉張，土體與防滲墻相背離形成拉張裂縫。土堤底面軟土的絕對沉降量大于防滲墻底面砂性土的絕對沉降量，而該兩側(cè)土堤的拉應(yīng)力是堤頂產(chǎn)生拉張裂縫的根本原因。

5 結(jié) 論

堤身裂縫變形主要與長江水位變化、堤身結(jié)構(gòu)、堤基土層結(jié)構(gòu)及其主固結(jié)、次固結(jié)特性有關(guān)。由于防滲墻持力層是低壓縮性的砂性土，而土堤持力層是較厚的高壓縮性軟土，在堤載持續(xù)作用下，兩側(cè)土堤累積沉降量、沉降速率都超過了防滲墻的累計沉降量和沉降速率。因差異壓縮變形和防滲墻的阻隔控制作用，防滲墻兩側(cè)土堤堤基產(chǎn)生豎向沉降和相背離的水平位移，從而導(dǎo)致防滲墻背水側(cè)的縱向裂縫，建議此類地質(zhì)條件下的堤壩防滲墻宜采用塑性材料，以避免堤壩裂縫的產(chǎn)生。