堤防工程軟基處理及效果分析

孫麗娜,方 艷

(1.寶泉嶺墾區(qū)水利勘測設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,黑龍江 寶泉嶺 154211;2.寶泉嶺農(nóng)場水務(wù)局,黑龍江 寶泉嶺 154211)

軟黏土中最常見的、工程地質(zhì)性質(zhì)最差的要數(shù)淤泥或淤泥質(zhì)土。通常工程上把天然孔隙比≥1.5的亞黏土、黏土稱為淤泥,而把孔隙比 ＞1.0、＜1.5的黏土稱為淤泥質(zhì)黏土。在沿海、河流的中下游或湖泊附近地區(qū),地表下埋藏有深厚的第四紀(jì)松軟覆蓋層。其接近地面部分經(jīng)常遇到的地基為軟黏土、淤泥、淤泥質(zhì)土或粉砂夾淤等等。在軟黏土地基上建造水工建筑物,很可能會(huì)使地基破壞或產(chǎn)生過大的沉降量和沉降差,不能滿足建筑物的設(shè)計(jì)要求,工程上必須考慮對(duì)地基進(jìn)行處理。

1 基本情況

梧桐河防洪治理工程于 1999年、2001年、2003年分 3期實(shí)施,建設(shè)梧桐河城區(qū) 6+000～10+177段左岸堤防、北河(梧桐河一級(jí)支流)城區(qū) 0+200～4+710段右岸堤防,總長9.08 k m。工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇洪水,相應(yīng)洪水流量:梧桐河為1 255m3/s,梧桐河設(shè)計(jì)河床寬度分別為140 m。堤防斷面為梯形,堤身采用砂礫料堆筑,梧桐河堤防高3.8m,安全超高1.3 m,迎水坡坡比 1∶1.5,背水坡坡比 1∶2,每20 m留伸縮縫一道。堤防工程級(jí)別為三級(jí),建筑物等級(jí)為四級(jí)。

2 軟土地基上堤防失穩(wěn)的破壞機(jī)理

引起軟土地基上堤防滑動(dòng)破壞的根本原因,在于軟弱地基中某個(gè)面上的剪應(yīng)力超過了它的抗剪強(qiáng)度,穩(wěn)定平衡遭到破壞。主要有兩方面因素:一是由于剪應(yīng)力的增加,例如大堤施工中上部填土何重的增加;降雨使土體容重增加;水位降落產(chǎn)生滲流力;地震、打樁等引起的動(dòng)荷載等。二是由于軟土地基本身抗剪強(qiáng)度的減小。例如孔隙水應(yīng)力的升高;氣候變化產(chǎn)生的干裂、凍融;黏土夾層因浸水而軟化以及黏性土的蠕變等。

對(duì)堤防工程進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí),通常是將假想滑動(dòng)面以上土體看作剛體,并以它為脫離體,分析在極限平衡條件下其上各種作用力,并以整個(gè)滑動(dòng)面上的平均抗剪強(qiáng)度與平均剪應(yīng)力之比來定義它的安全系數(shù),即:

式中:F為堤防穩(wěn)定安全系數(shù);T f為滑動(dòng)面處土體的平均抗剪強(qiáng)度;Fn為作用于滑動(dòng)面上的平均剪應(yīng)力。

F n＞1土體處于穩(wěn)定狀態(tài);F n＜1土體處于滑動(dòng)狀態(tài)或有滑動(dòng)的趨勢;F n=1,土體處于臨界狀態(tài)。因此,要使處于滑動(dòng)狀態(tài)或有滑動(dòng)趨勢的土體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),必須 F n＞1(堤防工程等級(jí)不同,F n取值也不同,通常在 1.05～1.30),通常有兩種方法:①提高土體的抗剪強(qiáng)度,使孔隙水應(yīng)力充分消散,如對(duì)地基進(jìn)行加固等;②減小作用在土體上的剪應(yīng)力,如減小堤防的橫斷面積,盡量避免對(duì)堤防的擾動(dòng)等。第一種方法在工程中被廣泛采用。

3 軟弱地基處理措施

堤防基礎(chǔ)采用機(jī)械開挖,人工修整?；A(chǔ)開挖至設(shè)計(jì)高程(-3.0 m)時(shí),絕大部分地段為較密實(shí)砂卵石夾雜漂石層面,工程地質(zhì)性質(zhì)較好,局部地段為泥化軟弱層面,即梧桐河6+834～6+840段,這段所處河床地質(zhì)、地形條件不盡相同,工程建設(shè)中采取了不同的處理措施。梧桐河 6+834～6+840段:該段處堤防轉(zhuǎn)彎迎水面,α=198°、R=1 719 m,與梧桐河主水流夾角 23°?；坶_挖至設(shè)計(jì)高程為淤泥質(zhì)軟土,顆粒細(xì)微并雜有有機(jī)物腐殖質(zhì),顏色呈深灰色,有臭味。

按照基礎(chǔ)對(duì)地基的要求,繼續(xù)深挖至 -4.3 m,基槽內(nèi)滲水量急劇增大,排水困難,采用預(yù)填骨料灌漿法進(jìn)行處理,寬1.9 m,厚1.3 m,分層填筑,灌漿密實(shí)。

4 軟弱地基處理及堤防工作狀態(tài)評(píng)價(jià)

1)梧桐河堤防工程對(duì)軟弱地基的有效處理,改善了基底地質(zhì)條件,較好地解決了基礎(chǔ)變形引起的堤身破壞問題,保證了堤防質(zhì)量。

2)通過幾年對(duì)處理段堤防水平位移、垂直位移定時(shí)定點(diǎn)監(jiān)測,堤身無裂縫、滑坡、塌陷、隆起、滲透變形情況,堤防工作狀態(tài)良好。

3)較好地抵御了洪水的襲擊。堤防工程投入運(yùn)行后,經(jīng)受了 3次較大洪水的襲擊,梧桐河洪峰流量達(dá)到 280～760 m3/s(相當(dāng)于10a一遇洪水)。

5 成果分析應(yīng)用

梧桐河堤防工程軟弱地基是一種非常軟弱的結(jié)構(gòu)面,具有濕度高、密度小、強(qiáng)度低和變形大等特點(diǎn)(摩擦系數(shù) f＜0.25,蠕變長期剪切強(qiáng)度f c=0.2,長期剪切強(qiáng)度與短期剪切強(qiáng)度 f o比值為 0.87)。理論上對(duì) 3種不同處理方案分別進(jìn)行了驗(yàn)算,工程均滿足抗滑、抗傾覆及地基承載力要求。從效果來看,理論與實(shí)際是一致的。

梧桐河城區(qū)段堤防建設(shè)實(shí)踐及對(duì)軟弱地基的處理措施,在今后河道治理工作中可以借鑒和應(yīng)用。同時(shí)應(yīng)注意處理好以下幾方面的問題:

5.1 堤防規(guī)劃

按照河流河床寬度和防洪標(biāo)準(zhǔn),堤防堤線宜平行于河流直線布設(shè)。需要設(shè)計(jì)彎道,彎道宜緩,以免水流對(duì)堤防產(chǎn)生較大沖刷而對(duì)地基要求過高。

5.2 堤防基礎(chǔ)

堤防基礎(chǔ)宜嵌入河床地基中,建在較密實(shí)砂卵石層或未經(jīng)擾動(dòng)的巖層上,滿足抗滑、抗傾覆及地基承載力要求。同時(shí)應(yīng)對(duì)堤防沖刷深度進(jìn)行驗(yàn)算,并和天然沖刷深度相比較,確定基礎(chǔ)埋深,這對(duì)保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

[1] 吳秋華.淺談晉江下游堤防工程的軟基處理[J].水利科技,2001(2):39-41.