堤后填土对堤防安全稳定影响分析

李佳伟 孙 龙

(1.杭州水利水电勘测设计院有限公司 浙江杭州 311200;
2.杭州余杭林业水利投资有限公司 浙江杭州 311100)

随着社会进步与城乡经济的高速发展,杭州市提出杭州要打造“亲水型宜居城市”。根据相关规划及设计文件,杭州某河堤防内侧将建设安置房小区,小区三面临河,小区外围堤防长约1 226 m。建筑红线距堤脚线为3~42 m,现状地面高程为5.5~6.0 m,安置房小区设计地面标高为11.5 m,基本与堤顶同高,在项目建设完成后,堤防与安置房小区之间将形成高差约5 m、宽3~42 m 的沟渠,如不处理,该处在暴雨期间将极易形成内涝积水,不仅影响小区环境,也会对堤防形成安全隐患[1],拟采取将堤防与安置房之间的沟渠回填、绿化的处理方案。本文以此工程为例,分析堤后填土对现状堤防安全的影响,并对填土提出相关指标及施工要求,为类似工程提供参考。

2.1 堤防型式

该堤防工程等级为Ⅳ等,主要建筑物为4 级,防洪标准为20年一遇,根据相关规划,20年一遇洪水位10.17 m。堤防型式为复式断面,堤顶采用沥青路面,堤顶高程约10.80 m,宽5 m,迎水侧设有C25 混凝土防浪墙,墙顶高程11.10 m;
迎水坡采用35 cm 厚干砌石,下设10 cm 厚碎石垫层,坡比1:2.0,高程7.30 m 处设有1 m 宽平台,坡脚为C25 混凝土大方脚;
背水坡为草皮护坡,坡比1:2.0。现状防洪堤建成多年,堤顶沥青路面局部破损,防浪墙多处损坏、开裂。

2.2 工程地质

经勘察,地基土层在勘探深度20.0 m 范围内,工程区土层结构分布如下。

1)①-1 层素填土(含砾粉质黏土)(rQ),灰色,松散,稍湿。主要由粉质黏土组成,夹有10%~20%左右的碎、砾石颗粒,为堤身筑填土,土质不均匀。厚度约0.60~5.60 m,均有分布。

2)①-2 层粉质黏土(al-lQ4),灰黄色,可塑,中等压缩性。切面稍有光泽,无摇振反应,干强度中等,韧性中等。该层均有分布,厚度不均。层顶埋深为0.60~5.60 m,厚度约0.90~4.60 m,均有分布。根据室内试验,渗透系数K=4.60×10-7~7.22×10-6cm/s,属微透水性。

3)②层黏质粉土(al-mQ4),灰色,松散—稍密。含少量云母碎屑,切面无光泽,摇震反应迅速,干强度低,韧性低。层顶埋深2.80~7.80 m,揭露层厚3.30~6.50 m,均有分布。根据室内试验,渗透系数K=6.65×10-6~7.82×10-6cm/s,属微透水性。

4)③层淤泥质黏土(mQ4),灰色,流塑,高压缩性,切面稍有光泽,无摇振反应,干强度中等,韧性中等。含少量有机质,有机质含量约占2%~5%,微层理发育,夹粉土薄层。层顶埋深为6.70~14.10 m,厚度6.30~9.50 m,均有分布。根据现场水文试验,渗透系数K= 2.00×10-7~3.70×10-7cm/s,属极微透水性。

5)④层含黏性土角砾(al-plQ4),黄灰色、灰色,饱和,稍密—中密,母岩成分多为中—微风化砂岩。以次棱角状为主,土质均匀性较差,级配一般。层顶埋深为14.00~20.40 m,厚度1.70~4.50 m,均有分布。

6)⑤层黏土(mQ4),灰色,软塑,高压缩性,局部为流塑状淤泥质黏土,切面稍有光泽,无摇振反应,干强度中等,韧性中等。层顶埋深为18.10~22.20 m,最大揭露厚度11.90 m,均有分布。

各个土层主要参数建议值见表1。

表1 各个土层主要参数建议值表

根据现场查勘、勘探试验资料和现场注水试验综合分析,堤身为①-1 层素填土(含碎石粉质黏土),主要由粉质黏土组成,夹有10%~20%左右的碎、砾石颗粒,土质均匀性较差,多属弱透水性,填筑质量一般。沿线堤防除局部坡面不平整外,堤身外形总体较完整。

3.1 加固方案

填土前背水侧原堤坡清表50 cm,采用黏土回填,同时底部三层采用HDPE 单向土工格栅加筋土的方式加固,土工格栅单向铺设,层间距1.2 m。填土范围设置为绿化带,以乔木和小灌木为主,配合草坪。填土区靠近安置房侧设置排水沟,通过安置房小区内的排水设施排出堤顶积水。堤后填土断面见图1。

图1 堤后填土断面图

填土后将会对堤防造成一定范围的沉降,为保证防洪安全,拆除重建原堤顶道路及防浪墙,按原设计值进行加高,即C25 钢筋混凝土防浪墙墙顶高程11.10 m,大坝堤顶高程10.80 m。堤顶采用沥青混凝土路面,结构型式从上到下分别为4 cm 厚细粒式沥青混凝土、沥青下封层、15 cm 厚5%水泥碎石稳定层及20 cm 厚石渣垫层。

3.2 技术措施

3.1.1 土工格室技术要求

1)增强土工格室型号为GC-150-GSA-400-1.5。采用钢丝为受力材料(裹覆聚乙烯),其格室高度为150 mm,焊接距离为400 mm,格室片厚度为1.5 mm,格室单位面积质量≥1 650 g/mm2。

2)格室片断裂拉力≥300 N/cm,断裂伸长率≤3%,格室片间连接处连接件的抗剪切力≥4 500 N;
塑料材料应使用原始粒状原料。格室片表面应平整,无气泡和裂缝、损伤、穿孔、露筋等缺陷。

3.1.2 土料要求

1)堤后填土要求粘聚力不小于15 kpa,内摩擦角不小于13°,分层填筑时分层厚度不大于50 cm,压实度不小于93%,填筑方法与路基填筑方法相同,填筑一层,碾压一层,必须控制填铺厚度和碾压密实度,防止出现沉陷、坍塌、滑坡等病害。

2)回填过程中,需注意使填筑面平整、铺料层厚均匀[2]。铺料方法选择进占法铺料,即运料汽车在已平好的松土层上行使、卸料,用推土机向前进占平料。

4.1 堤防抗滑稳定计算

4.1.1 计算方法

根据《堤防工程设计规范》附录F,堤坡稳定计算按瑞典圆弧滑动计算法,计算公式如公式(1)。

式中:W——土条重量,kN;

Q、V——水平和垂直地震惯性力(V 向上为负,向下为正),kN;

u——作用于土条底面的孔隙压力,kN/m2;

α——条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角,(°);

b——土条宽度,m;

c′、φ′——土条底面的有效凝聚力,kN/m2和有效内摩擦角,(°);

Mc——水平地震惯性力对圆心的力矩,kN·m;

R——圆弧半径,m。

4.1.2 计算工况与计算断面的选取

堤防加固后,堤后地面高程将于堤顶高程一致,有利于背水坡的抗滑稳定安全,故本次仅讨论正常运行条件下,设计洪水位骤降期迎水坡的抗滑稳定安全。

1)计算工况:堤防迎水侧设计高水位10.17 m(P=5%),下降至5.00 m,同时考虑20 kPa 车辆荷载,迎水坡的安全稳定情况。

2)计算断面:根据堤后填土范围的不同,本次计算选取四个代表断面,分别位于桩号K0+100、K0+550、K0+850、K1+000。计算断面位置图见图2、图3、图4。

图2 计算断面位置图

图3 K0+100 填土前堤防迎水侧滑弧示意图

图4 K0+100 填土后堤防迎水侧滑弧示意图

根据现行《堤防工程设计规范》(GB50286- 2013),本堤防为4 级堤防,瑞典圆弧法正常运行条件对应边坡抗滑稳定安全系数允许值为1.15。

4.1.3 计算参数的选取

现状堤防边坡稳定计算各土层参数选用表1中固快指标;
堤后填土后考虑保守计算堤防土层参数选取表1中固快和直快指标的平均值;
堤后填土根据以往工程经验,粘聚力取15 kPa,内摩擦角取13°。

4.1.4 计算成果

堤身整体滑动稳定采用理正软件分析计算,搜索最危险滑动面。根据计算结果,堤后填土虽然导致抗滑稳定安全系数有所减小,但仍然满足规范要求。堤基中的③淤泥质黏土层为软弱土层,填土前最危险滑动面坐落在此土层,填土后在填土荷载作用下,滑移面穿过③淤泥质黏土层,坐落在④含黏土角砾层。填土前后堤防边坡稳定成果见表2。

表2 填土前后堤防边坡稳定计算成果表

4.2 渗流稳定

堤后回填黏土相当于堤防断面增大,增加了渗流长度,减小渗流坡降,相比与现状断面对堤防的渗流稳定更为有利,故填土后不会对堤防渗流稳定有不利影响。

4.3 沉降计算

4.3.1 计算方法

堤防沉降计算采用分层总和法,利用地基各土层的e~p 曲线计算最终沉降量。堤身和堤基的最终沉降量,计算公式如下:

式中:S——最终沉降量,mm;

n——压缩层范围的土层数;

e1i——第i 土层在平均自重应力作用下的孔隙比;

e2i——第i 土层在平均自重应力和平均附加应力作用下的孔隙比;

hi——第i 层土的厚度;

m——修正系数,可取1.0,软土地基可采用1.3~1.6。

4.3.2 计算结果

经计算,堤后填土将对堤防造成较明显的沉降,沉降量从背水侧到迎水侧逐渐减小,堤顶沉降值约100 mm,沉降稳定后堤顶高程约10.70 m,防浪墙顶高程11.00 m。堤防沉降计算成果见表3。

表3 堤防沉降计算成果表单位:mm

设计堤防顶高程应按设计洪水位加堤顶超高确定,堤顶超高包括设计波浪爬高、设计风壅增水高度和安全加高。20年一遇设计洪水位10.17 m,4 级堤防堤顶超高0.6 m。经计算,波浪爬高约0.28 m,风壅高度0.001 2 m,堤顶高程不应小于11.051 2 m。沉降后防浪墙顶高程仅为11.00 m 不能满足防洪,应对堤顶进行加高。

1)回土前,需对堤防的高程、坐标等进行原始测量,并设置沉降及水平位移观测点,或观测柱。铺设过程中,每天观测2 次以上;
全部施工完成后至完工验收前每10 天观测一次,完工验收后至竣工验收前,则可改为每个月测一次。

2)施工期变形控制标准:分层沉降10 mm/d,深层水平位移5 mm/d。

3)观测资料应保持系统性、连续性,及时整编并对数据进行分析研究,若发现沉降或位移较大时应及时停工。

根据本次分析确定堤后填土对现状堤防抗滑稳定不利,并会导致堤防的沉降。因此在堤后填土时,首先要明确填料及施工的要求,保证施工质量,尽量减小对堤防的影响;
另外由于堤后填土将会引起堤防的沉降,应结合实际防洪标准对堤顶进行加高,确保防洪安全。

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