白坭河某段堤防險情成因及除險加固方案研究

姜新慧

(廣東珠榮工程設計有限公司，廣州 510610)

堤防是防洪體系的主要組成部分，能有效抵御洪水的侵襲[1]，其堤身和堤基的質量與穩定性是確保河道正常行洪，保障堤內防洪安全的關鍵。大多數堤防還是沿岸交通要道，堤防的穩固和安全顯得尤為重要[2]。掌握堤防工程地質條件、主要工程地質問題，采取有效的除險加固措施，對保證堤防工程安全十分必要[3-4]。文章針對廣東白坭河某段堤防進行工程地質條件評價，出險原因分析，提出加固方案，為其他堤防整治工程提供經驗和參考。

1 堤防概況

工程堤防位于白坭河上游右岸某段，工程等別為Ⅳ，防洪標準為20a一遇。2005年始，作為北江大堤加固達標工程的一部分，對其進行綜合治理。堤圍斷面為斜坡式均質土堤，堤頂寬度6m，堤頂為瀝青混凝土路面，設計20a一遇水位7.23m。迎水坡設計一級平臺或采用1∶2.5預制混凝土六角塊護坡。背水坡坡比為1∶2.5，采用草皮護坡。

2011年1月堤段二級平臺出現了下陷及堤頂路面多處出現不規則裂縫情況，管理部門采用黏土回填對裂縫進行臨時處理，堤頂路面采用混凝土對堤頂裂縫進行臨時修復，同時將臨水側平臺上原有的桉樹全部砍掉，處理后裂縫寬度沒有再發展，2012年對險情段進行充填灌漿處理。

2021年5月，該堤段堤身又出現多處坑洞開裂情況，縫最寬處為1.1cm，隨后管養單位對堤防堤身坑洞、裂紋處及二級平臺進行換填土方工作，并進行觀察，未發現新的險情出現。2021年12月29日，巡查發現此堤段背水坡堤身出現一道長約12m左右縱向裂縫，之后進行回填臨時處理。2022年1月10日，巡查發現堤防堤頂路面(背水側)出現長度約80m左右裂縫，迎水側堤腳原換填土方位置也出現下沉現象，排水處起拱折裂。

2 工程地質條件及地質問題

2.1 地質構造

工程區位于印支構造期的羅沅-大寨褶皺廣花復向斜間，構造形跡較復雜，褶皺主要有三水向斜和廣花復向斜。三水向斜軸向呈近 SN向，分布在該區西部，由古近系紅層組成；廣花復向斜軸向呈近SN、NNW走向，分布在東部，由三疊系和石炭系組成。區域性活動斷裂不發育，近工程區主要斷裂在全新統處于相對穩定狀態。新構造運動的表現也不十分明顯，歷史地震和近代地震烈度都不超過6度，三水市南邊鎮于1997年9月下旬發生過3.9級地震。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2015)，Ⅱ類場地條件下工程區基本地震動峰值加速度為0.05g，反應譜特征周期0.35s，相應的地震基本烈度為6度。

2.2 地層巖性特征

工程區位于珠江三角洲的北緣，地形以沖積平原為主，周邊有零星低丘分布。區內地表主要被第四系覆蓋，堆積二元或多元結構松散層，上部黏性土，下部為砂礫層，沉積厚度15-30m。據鉆探揭露，工程區地層自上而下分布有：

①填土：以粉土、砂質黏性土為主，土質不均，密實程度不一，中-高壓縮性，前期除險加固進行過黏土充填灌漿處理，主要呈弱透水性。

②-1粉質黏土：灰黃色，可塑，局部軟塑，主要由粉黏粒組成，切面稍光滑平整，均勻性較好。該層具有中高壓縮性，承載力一般。

②-2淤泥、淤泥質土：位于粉質黏土層之下，與河床淤泥層相連通，層位穩定，廣泛分布于工程區內，但厚度不均勻，揭露厚度0.60-5.10m。該層為軟土層，天然含水量高，液限較大，孔隙比大，具高壓縮性，承載力低，在上部荷載的作用下，易導致堤基沉降變形。

③-1粉質黏土、黏土：灰白色，花斑色，為更新統地層，可塑-硬可塑，土質較均勻，干強度高，局部含粉細砂。該層具中等壓縮性，承載力較高。

③-2含泥砂礫層：灰黃色，飽和，中密，以石英、長石為主，黏粒含量較高，級配一般，該層滲透性中等-強，承載力較高。

砂礫層下部除個別鉆孔揭露有紅褐色殘積粉質黏土外，大多直接揭露弱風化石灰巖。殘積粉質黏土，可塑-硬可塑，黏性較好，具中等壓縮性，承載力較高，但遇水易軟化。

綜合考慮本堤段堤基地質結構為多層結構(Ⅲ類、黏淤砂結構)。主要巖土層物理力學參數見表1。

表1 各土層物理力學參數

2.3 水文地質條件

工程區地下水主要為第四系松散層孔隙含水層和石炭系灰巖巖溶裂隙水。孔隙含水層主要賦存于沖積層的孔隙中，場區沖積層分布廣、厚度大，含水量豐富，分為孔隙潛水和孔隙承壓水。孔隙潛水埋藏較淺，地下水位隨季節而變化，與地表水有較好的水力聯系。地下水主要接受大氣降水的滲入補給或外圍含水層的側向補給，以逕流和蒸發方式排泄。孔隙承壓水含水層巖性為下部的含泥礫砂，泥質中粗砂等，滲透系數1.0m/d-100m/d(經驗值)，由于上部存在相對隔水層而具弱承壓性，承壓水頭一般較低，與地表水水力聯系微弱。

巖溶裂隙水賦存在石炭系灰巖溶洞等巖溶發育帶中，地下水富水程度明顯受巖溶發育程度的控制，由于灰巖埋藏較深，巖溶裂隙水對該工程影響不大。

2.4 主要工程地質問題

根據勘察資料分析，工程區主要存在軟土引起的抗滑穩定問題，其次為沉降變形、抗沖刷問題，滲漏及滲透變形問題較輕微。

1)抗滑穩定問題：

堤基軟土層具高壓縮性，抗剪強度較低，靈敏度高，具有很強的結構性，一旦受到擾動，其強度將迅速降低。室內試驗測得其無側限抗壓強度35.7-52kPa，平均值為44kPa，換算得不排水抗剪強度Cu=22kPa。由路基設計相關公式(Hc=5.52Cu/γ)估算堤基臨界填筑高度為6.56m。現狀堤身一般高度6-7m，且現狀堤防已產生向河水流方向的圓弧形滑動變形，故存在抗滑穩定問題。堤身臨水側需采取抗滑措施，建議設計對堤基整體抗滑穩定性進行復核。

2)沉降變形問題：

堤基存在淤泥質土，為軟土層，天然含水量高，孔隙比大，壓縮系數較大，具高壓縮性，工程特性差。但堤防已經過多年運行，堤基的軟土層受上部荷載經年累月的堆壓，已達到一定固結度，主固結沉降已完成，在堤身不加高培厚的情況下，堤基仍存在一定的沉降變形問題，但沉降量不大，不會破壞堤防的整體性。

3)抗沖刷問題：

堤外水流復雜，無外灘，堤外坡直接臨水，水下岸坡由軟土組成，抗沖流速低，在水流對岸坡沖刷、浪蝕作用下，尤其是巨大浪襲沖擊作用下，可能于坡腳處形成沖刷坑，產生臨空面，而導致側滑破壞，從而進一步對堤防造成破壞。

4)滲漏及滲透穩定問題：

堤基存在中等-強滲透性的砂礫層，為主要透水層，但該層埋深較大，上覆淤泥、淤泥質土、粉質黏土層，可視為相對隔水層，分布穩定，現狀實際運行中沒有滲漏-滲透穩定險情，故堤基不存在滲漏及滲透穩定問題。

3 險情成因分析及驗證

3.1 險情成因分析

由于下游航道通航清淤，白坭河河道自然演變，河床受到沖刷影響，河床底部高程降低約0.5-1.0m，對堤身穩定不利。本次險情出現時，恰逢60年來最嚴重旱情，上游來水少，白坭河長時間低于原設計枯水期水位運行，堤身浸潤線發生變化，導致堤身上部分土體容重增加，影響土堤邊坡穩定。

由于軟土強度低，且在堤基廣泛分布，堤外無灘，無防護措施，當堤頂有大面積堆載或載重車輛通行時，由于荷載增長過快，堤基土體沿某一滑動面產生滑動變形，或將堤基軟土層從側向擠出，導致土體剪切破壞[5]。

據現場查勘，該堤段堤頂裂縫為縱向拉張裂縫，延伸較長，平行裂縫方向迎水側路面下沉，可推斷為向臨水側牽引式滑動變形，其滑動面雛形可能為圓弧形，底滑面-剪出口在軟土層中，后緣最大側滑面位于堤頂內側拉張裂縫。

車輛超載及堤身下部軟塑狀淤泥質土層是產生堤防裂縫的主要原因，次要原因為地下水滲流等。

3.2 軟件模擬

明確滑動的原因及類型后，要確定滑動面位置，滑動面的上口就是堤頂出現的裂縫或陡坎，滑動面底部裂縫或隆起體最頂部就是滑動面的下口[6]。本次選用Geo-Studio軟件，進行穩定分析。

Geo-Studio 軟件為國際巖土界享有盛名的 Fredlund 教授從 20 世紀 70 年代開始研發，目前已成為世界級的邊坡穩定性分析和非飽和滲流、地震動力響應方面的專業軟件[7]。針對現狀工況下的荷載組合，利用本次勘察取得的土層物理力學參數，選擇有代表性的斷面，用瑞典圓弧法進行堤防整體穩定計算[8]，計算結果見圖1：

經對比，滑動面上口位置與堤頂裂縫出現的位置基本一致，基本可認為穩定計算模型是可靠的。

3.3 滑動計算成果分析

利用該模型針對臨水側邊坡在不同工況下的荷載組合，進行穩定計算，結果見表2。

分析結果可知，該段堤防在各工況下介于不穩定-基本穩定狀態，不滿足規范安全系數要求。通過分析計算成果得出，影響堤身穩定的主要因素在于堤基巖土物理力學特性和堤身內外水位的變化上，河道水位降低對堤身穩定影響明顯，二級平臺桉樹自重載荷對堤身穩定安全系數影響較小。此外，堤頂荷載對堤身穩定也有較大影響。

4 除險加固方案比選

當邊坡出現穩定問題時，采用排水、削坡等措施不足以完全治理，采用抗滑樁整治邊坡，往往因其施工簡單、速度快、工程量小等優點，而被廣泛應用[9]。針對本次險情，根據裂縫成因分析及Geo-Studio軟件模擬的滑動面位置，提出以下除險加固方案。

方案1：堤腳采用雙排預制樁抗滑，排距2.0m，樁頂高程5.0m，與現狀桉樹林平齊，樁長13.5m，前排為U型板樁，間距1m密排，后排為PHC500管樁，間距2.0m，雙排樁排距3.0m，上部設C30鋼筋混凝土連系梁將其連接為整體。

方案2：堤腳采用鋼筋混凝土灌注樁抗滑，樁頂高程5.0m，樁長16.0m，樁徑φ1000，間距1.1mm，后側采用長6m的D600高壓旋噴樁作為止水帷幕，上部設C30鋼筋混凝土冠梁將其連接為整體。

經技術、經濟、施工等方面進行對比論證，預制樁成樁速度快，樁身質量易于控制，板樁出露部位美觀，受水體影響較小，最終選取方案1作為本工程堤防加固方案。

5 結 語

文章基于白坭河某堤段搶險工程實例，通過分析堤頂裂縫成因，給出加固方案。通過研究分析，得出主要結論如下：

1)堤身穩定的主要因素為堤基巖土物理力學特性、堤身內外水位變化以及堤頂荷載。

2)抗滑樁型式要從技術、經濟、施工等多方面論證，根據工程實際選擇。長度設置要合理，應穿過滑動面進入持力層一定長度。