白坭河某段堤防险情成因及除险加固方案研究

姜新慧

(广东珠荣工程设计有限公司，广州 510610)

堤防是防洪体系的主要组成部分，能有效抵御洪水的侵袭[1]，其堤身和堤基的质量与稳定性是确保河道正常行洪，保障堤内防洪安全的关键。大多数堤防还是沿岸交通要道，堤防的稳固和安全显得尤为重要[2]。掌握堤防工程地质条件、主要工程地质问题，采取有效的除险加固措施，对保证堤防工程安全十分必要[3-4]。文章针对广东白坭河某段堤防进行工程地质条件评价，出险原因分析，提出加固方案，为其他堤防整治工程提供经验和参考。

1 堤防概况

工程堤防位于白坭河上游右岸某段，工程等别为Ⅳ，防洪标准为20a一遇。2005年始，作为北江大堤加固达标工程的一部分，对其进行综合治理。堤围断面为斜坡式均质土堤，堤顶宽度6m，堤顶为沥青混凝土路面，设计20a一遇水位7.23m。迎水坡设计一级平台或采用1∶2.5预制混凝土六角块护坡。背水坡坡比为1∶2.5，采用草皮护坡。

2011年1月堤段二级平台出现了下陷及堤顶路面多处出现不规则裂缝情况，管理部门采用黏土回填对裂缝进行临时处理，堤顶路面采用混凝土对堤顶裂缝进行临时修复，同时将临水侧平台上原有的桉树全部砍掉，处理后裂缝宽度没有再发展，2012年对险情段进行充填灌浆处理。

2021年5月，该堤段堤身又出现多处坑洞开裂情况，缝最宽处为1.1cm，随后管养单位对堤防堤身坑洞、裂纹处及二级平台进行换填土方工作，并进行观察，未发现新的险情出现。2021年12月29日，巡查发现此堤段背水坡堤身出现一道长约12m左右纵向裂缝，之后进行回填临时处理。2022年1月10日，巡查发现堤防堤顶路面(背水侧)出现长度约80m左右裂缝，迎水侧堤脚原换填土方位置也出现下沉现象，排水处起拱折裂。

2 工程地质条件及地质问题

2.1 地质构造

工程区位于印支构造期的罗沅-大寨褶皱广花复向斜间，构造形迹较复杂，褶皱主要有三水向斜和广花复向斜。三水向斜轴向呈近 SN向，分布在该区西部，由古近系红层组成；广花复向斜轴向呈近SN、NNW走向，分布在东部，由三叠系和石炭系组成。区域性活动断裂不发育，近工程区主要断裂在全新统处于相对稳定状态。新构造运动的表现也不十分明显，历史地震和近代地震烈度都不超过6度，三水市南边镇于1997年9月下旬发生过3.9级地震。

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，Ⅱ类场地条件下工程区基本地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期0.35s，相应的地震基本烈度为6度。

2.2 地层岩性特征

工程区位于珠江三角洲的北缘，地形以冲积平原为主，周边有零星低丘分布。区内地表主要被第四系覆盖，堆积二元或多元结构松散层，上部黏性土，下部为砂砾层，沉积厚度15-30m。据钻探揭露，工程区地层自上而下分布有：

①填土：以粉土、砂质黏性土为主，土质不均，密实程度不一，中-高压缩性，前期除险加固进行过黏土充填灌浆处理，主要呈弱透水性。

②-1粉质黏土：灰黄色，可塑，局部软塑，主要由粉黏粒组成，切面稍光滑平整，均匀性较好。该层具有中高压缩性，承载力一般。

②-2淤泥、淤泥质土：位于粉质黏土层之下，与河床淤泥层相连通，层位稳定，广泛分布于工程区内，但厚度不均匀，揭露厚度0.60-5.10m。该层为软土层，天然含水量高，液限较大，孔隙比大，具高压缩性，承载力低，在上部荷载的作用下，易导致堤基沉降变形。

③-1粉质黏土、黏土：灰白色，花斑色，为更新统地层，可塑-硬可塑，土质较均匀，干强度高，局部含粉细砂。该层具中等压缩性，承载力较高。

③-2含泥砂砾层：灰黄色，饱和，中密，以石英、长石为主，黏粒含量较高，级配一般，该层渗透性中等-强，承载力较高。

砂砾层下部除个别钻孔揭露有红褐色残积粉质黏土外，大多直接揭露弱风化石灰岩。残积粉质黏土，可塑-硬可塑，黏性较好，具中等压缩性，承载力较高，但遇水易软化。

综合考虑本堤段堤基地质结构为多层结构(Ⅲ类、黏淤砂结构)。主要岩土层物理力学参数见表1。

表1 各土层物理力学参数

2.3 水文地质条件

工程区地下水主要为第四系松散层孔隙含水层和石炭系灰岩岩溶裂隙水。孔隙含水层主要赋存于冲积层的孔隙中，场区冲积层分布广、厚度大，含水量丰富，分为孔隙潜水和孔隙承压水。孔隙潜水埋藏较浅，地下水位随季节而变化，与地表水有较好的水力联系。地下水主要接受大气降水的渗入补给或外围含水层的侧向补给，以迳流和蒸发方式排泄。孔隙承压水含水层岩性为下部的含泥砾砂，泥质中粗砂等，渗透系数1.0m/d-100m/d(经验值)，由于上部存在相对隔水层而具弱承压性，承压水头一般较低，与地表水水力联系微弱。

岩溶裂隙水赋存在石炭系灰岩溶洞等岩溶发育带中，地下水富水程度明显受岩溶发育程度的控制，由于灰岩埋藏较深，岩溶裂隙水对该工程影响不大。

2.4 主要工程地质问题

根据勘察资料分析，工程区主要存在软土引起的抗滑稳定问题，其次为沉降变形、抗冲刷问题，渗漏及渗透变形问题较轻微。

1)抗滑稳定问题：

堤基软土层具高压缩性，抗剪强度较低，灵敏度高，具有很强的结构性，一旦受到扰动，其强度将迅速降低。室内试验测得其无侧限抗压强度35.7-52kPa，平均值为44kPa，换算得不排水抗剪强度Cu=22kPa。由路基设计相关公式(Hc=5.52Cu/γ)估算堤基临界填筑高度为6.56m。现状堤身一般高度6-7m，且现状堤防已产生向河水流方向的圆弧形滑动变形，故存在抗滑稳定问题。堤身临水侧需采取抗滑措施，建议设计对堤基整体抗滑稳定性进行复核。

2)沉降变形问题：

堤基存在淤泥质土，为软土层，天然含水量高，孔隙比大，压缩系数较大，具高压缩性，工程特性差。但堤防已经过多年运行，堤基的软土层受上部荷载经年累月的堆压，已达到一定固结度，主固结沉降已完成，在堤身不加高培厚的情况下，堤基仍存在一定的沉降变形问题，但沉降量不大，不会破坏堤防的整体性。

3)抗冲刷问题：

堤外水流复杂，无外滩，堤外坡直接临水，水下岸坡由软土组成，抗冲流速低，在水流对岸坡冲刷、浪蚀作用下，尤其是巨大浪袭冲击作用下，可能于坡脚处形成冲刷坑，产生临空面，而导致侧滑破坏，从而进一步对堤防造成破坏。

4)渗漏及渗透稳定问题：

堤基存在中等-强渗透性的砂砾层，为主要透水层，但该层埋深较大，上覆淤泥、淤泥质土、粉质黏土层，可视为相对隔水层，分布稳定，现状实际运行中没有渗漏-渗透稳定险情，故堤基不存在渗漏及渗透稳定问题。

3 险情成因分析及验证

3.1 险情成因分析

由于下游航道通航清淤，白坭河河道自然演变，河床受到冲刷影响，河床底部高程降低约0.5-1.0m，对堤身稳定不利。本次险情出现时，恰逢60年来最严重旱情，上游来水少，白坭河长时间低于原设计枯水期水位运行，堤身浸润线发生变化，导致堤身上部分土体容重增加，影响土堤边坡稳定。

由于软土强度低，且在堤基广泛分布，堤外无滩，无防护措施，当堤顶有大面积堆载或载重车辆通行时，由于荷载增长过快，堤基土体沿某一滑动面产生滑动变形，或将堤基软土层从侧向挤出，导致土体剪切破坏[5]。

据现场查勘，该堤段堤顶裂缝为纵向拉张裂缝，延伸较长，平行裂缝方向迎水侧路面下沉，可推断为向临水侧牵引式滑动变形，其滑动面雏形可能为圆弧形，底滑面-剪出口在软土层中，后缘最大侧滑面位于堤顶内侧拉张裂缝。

车辆超载及堤身下部软塑状淤泥质土层是产生堤防裂缝的主要原因，次要原因为地下水渗流等。

3.2 软件模拟

明确滑动的原因及类型后，要确定滑动面位置，滑动面的上口就是堤顶出现的裂缝或陡坎，滑动面底部裂缝或隆起体最顶部就是滑动面的下口[6]。本次选用Geo-Studio软件，进行稳定分析。

Geo-Studio 软件为国际岩土界享有盛名的 Fredlund 教授从 20 世纪 70 年代开始研发，目前已成为世界级的边坡稳定性分析和非饱和渗流、地震动力响应方面的专业软件[7]。针对现状工况下的荷载组合，利用本次勘察取得的土层物理力学参数，选择有代表性的断面，用瑞典圆弧法进行堤防整体稳定计算[8]，计算结果见图1：

经对比，滑动面上口位置与堤顶裂缝出现的位置基本一致，基本可认为稳定计算模型是可靠的。

3.3 滑动计算成果分析

利用该模型针对临水侧边坡在不同工况下的荷载组合，进行稳定计算，结果见表2。

分析结果可知，该段堤防在各工况下介于不稳定-基本稳定状态，不满足规范安全系数要求。通过分析计算成果得出，影响堤身稳定的主要因素在于堤基岩土物理力学特性和堤身内外水位的变化上，河道水位降低对堤身稳定影响明显，二级平台桉树自重载荷对堤身稳定安全系数影响较小。此外，堤顶荷载对堤身稳定也有较大影响。

4 除险加固方案比选

当边坡出现稳定问题时，采用排水、削坡等措施不足以完全治理，采用抗滑桩整治边坡，往往因其施工简单、速度快、工程量小等优点，而被广泛应用[9]。针对本次险情，根据裂缝成因分析及Geo-Studio软件模拟的滑动面位置，提出以下除险加固方案。

方案1：堤脚采用双排预制桩抗滑，排距2.0m，桩顶高程5.0m，与现状桉树林平齐，桩长13.5m，前排为U型板桩，间距1m密排，后排为PHC500管桩，间距2.0m，双排桩排距3.0m，上部设C30钢筋混凝土连系梁将其连接为整体。

方案2：堤脚采用钢筋混凝土灌注桩抗滑，桩顶高程5.0m，桩长16.0m，桩径φ1000，间距1.1mm，后侧采用长6m的D600高压旋喷桩作为止水帷幕，上部设C30钢筋混凝土冠梁将其连接为整体。

经技术、经济、施工等方面进行对比论证，预制桩成桩速度快，桩身质量易于控制，板桩出露部位美观，受水体影响较小，最终选取方案1作为本工程堤防加固方案。

5 结 语

文章基于白坭河某堤段抢险工程实例，通过分析堤顶裂缝成因，给出加固方案。通过研究分析，得出主要结论如下：

1)堤身稳定的主要因素为堤基岩土物理力学特性、堤身内外水位变化以及堤顶荷载。

2)抗滑桩型式要从技术、经济、施工等多方面论证，根据工程实际选择。长度设置要合理，应穿过滑动面进入持力层一定长度。