堤基土體抗滑穩(wěn)定工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

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1、前言

    堤基抗滑穩(wěn)定是涉及堤防工程安全的主要工程地質(zhì)問題之一。堤基常遇具不利結(jié)構(gòu)的不良土體，不良土體堤基抗滑穩(wěn)定評(píng)價(jià)更多地依靠工程地質(zhì)分析。但傳統(tǒng)分析方法重土層單元，輕土體結(jié)構(gòu)；重單因素分析，輕多因素綜合；重靜態(tài)評(píng)判，輕動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，不能滿足對(duì)復(fù)雜問題的分析評(píng)價(jià)。本文采用把堤基土體當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析的思路，在查明堤基土體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，合理選取土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，綜合考慮環(huán)境因素，對(duì)梧州河西防洪堤某段堤基抗滑穩(wěn)定問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，使堤基抗滑穩(wěn)定評(píng)價(jià)更為全面、合理。

    2、堤基土體系統(tǒng)及其抗滑穩(wěn)定工程地質(zhì)評(píng)價(jià)基本思路

    2.1 堤基土體系統(tǒng)概述

    “土體”是指多種土層構(gòu)成的組合體，其性質(zhì)不等于其中某一土層的性質(zhì)，也不等于各土層性質(zhì)的簡(jiǎn)單迭加，而是相互作用、相互影響的有機(jī)整體^[1]。這是一種把土體當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)看待的新認(rèn)識(shí)。這里，土體的結(jié)構(gòu)是各種土層的特定組合關(guān)系，是以土層為單元的宏觀結(jié)構(gòu)，區(qū)別于以土粒為單元的土的微觀結(jié)構(gòu)和以紋層為單元的中觀結(jié)構(gòu)。
　　根據(jù)一般系統(tǒng)論原理，控制系統(tǒng)功能的三要素是：?jiǎn)卧ɑ蚍Q元素）的性質(zhì)、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響，三者對(duì)不同系統(tǒng)的功能控制程度不同，復(fù)雜系統(tǒng)的功能更多地受結(jié)構(gòu)控制。對(duì)堤基土體系統(tǒng)而言，控制堤基穩(wěn)定性的三要素分別是：土層的物理力學(xué)性質(zhì)、土體的結(jié)構(gòu)及環(huán)境的影響。顯然，均質(zhì)堤基的穩(wěn)定性主要取決于土層的物理力學(xué)性質(zhì)；非均質(zhì)堤基的穩(wěn)定性則由土體結(jié)構(gòu)控制；環(huán)境因素多起誘發(fā)或累積作用，對(duì)堤基動(dòng)態(tài)穩(wěn)定常起控制作用。
    文獻(xiàn)[1] 從堤基抗滑穩(wěn)定角度，將堤基分為均質(zhì)和非均質(zhì)兩大類。前者以土質(zhì)控制堤基穩(wěn)定，后者以土體結(jié)構(gòu)控制。詳細(xì)分類見表1。

表1               堤基結(jié)構(gòu)分類表

堤基分類

亞類

堤基類型

堤基穩(wěn)定問題

均質(zhì)堤基

一般土質(zhì)

一般均質(zhì)

一般不存在

不良土質(zhì)

軟土

施工期穩(wěn)定問題

膨脹土

長(zhǎng)期穩(wěn)定問題

非均質(zhì)堤基

一般土體

一般非均質(zhì)

一般不存在

不良土體

具軟弱夾層

夾層控制堤基穩(wěn)定

具弱抗沖層

沖刷危及堤基穩(wěn)定

具硬臥(阻水)層

阻水頂板控制堤基穩(wěn)定

    “不良土體”是指具不利結(jié)構(gòu)的土體。對(duì)堤基抗滑穩(wěn)定不利的結(jié)構(gòu)主要是土體中具有不利產(chǎn)狀的軟弱夾層、弱抗沖層及硬臥（阻水）層。顯然，不良土質(zhì)及不良土體是研究堤基抗滑穩(wěn)定問題的主要對(duì)象。且后者不易查明，更具危險(xiǎn)性。

    2.2 堤基土體抗滑穩(wěn)定工程地質(zhì)評(píng)價(jià)基本思路^[1]

    把堤基土體當(dāng)作一個(gè)開放系統(tǒng)加以考察，應(yīng)首先從查明堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型入手，再深入分析土的物理力學(xué)性質(zhì)，綜合考慮環(huán)境因素，最后對(duì)堤基抗滑穩(wěn)定問題作出全面的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)。

    2.2.1 堤基地質(zhì)模型的建立

    堤基地質(zhì)模型即堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型或堤基土體結(jié)構(gòu)類型，是堤基抗滑穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)。不同結(jié)構(gòu)堤基抗滑穩(wěn)定性不同，控制因素不同，適用的計(jì)算方法及相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)均可能有所不同。對(duì)不良土體堤基，土體不利結(jié)構(gòu)直接控制堤基的抗滑穩(wěn)定性。因此，查明土體的不利結(jié)構(gòu)是堤基抗滑穩(wěn)定分析的前提，應(yīng)作為堤基勘察的重點(diǎn)。

    2.2.2 土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取

    地質(zhì)模型建立之后，土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)成為定量評(píng)價(jià)堤基抗滑穩(wěn)定的關(guān)鍵。
    不良土體結(jié)構(gòu)特殊，各土層對(duì)堤基穩(wěn)定性的影響程度不一，各土層抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取將有所區(qū)別。重點(diǎn)應(yīng)加強(qiáng)軟弱夾層或軟弱接觸帶的抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析。

    2.2.3 不利環(huán)境影響

    堤基土體為一開放系統(tǒng)，外受動(dòng)蕩不定的河道和復(fù)雜多變的水流影響，內(nèi)為人類生產(chǎn)或生活場(chǎng)所，各種人為干擾影響很大。因此，堤基穩(wěn)定問題不僅要解決假定邊界條件下的靜態(tài)穩(wěn)定問題，還必須重視不利環(huán)境影響下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題。雖然動(dòng)態(tài)穩(wěn)定定量預(yù)測(cè)尚難于實(shí)現(xiàn)，但加強(qiáng)定性分析既是必要的，也是可行的。
    厚層粘性土堤基易被視為均質(zhì)堤基，土體結(jié)構(gòu)易被忽視，常導(dǎo)致堤基抗滑穩(wěn)定分析模型參數(shù)失真，計(jì)算結(jié)果不合理。本文以梧州河西堤某段為例，運(yùn)用土體結(jié)構(gòu)控制的觀點(diǎn)，對(duì)堤基抗滑穩(wěn)定作出綜合分析。

    3、梧州河西堤某段堤基抗滑穩(wěn)定工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

    3.1 工程地質(zhì)條件     

    3.1.1 地形地貌

    該堤段全長(zhǎng)1510m，設(shè)計(jì)為土堤，設(shè)計(jì)堤頂高程28.5m，堤高一般5m上下。堤基全部座落于潯江一級(jí)階地之上，地面高程23.5m。堤身填土主要由粘土及粉質(zhì)粘土組成，夾少量粉砂巖風(fēng)化碎塊，經(jīng)機(jī)械壓實(shí)。堤前岸坡已發(fā)現(xiàn)因河水沖淘而產(chǎn)生的坍岸現(xiàn)象。

    3.1.2堤基土層結(jié)構(gòu)

    該堤段堤基土共計(jì)6層，自上而下土層結(jié)構(gòu)依次為：
    ①人工填土：斷續(xù)分布于堤基表層，層厚1.1m～1.5m。主要為素填土，棕褐色，淺黃色，主要由粉質(zhì)粘土和花崗巖風(fēng)化土組成，未經(jīng)壓密，透水性中等偏弱，注水試驗(yàn)結(jié)果滲透系數(shù)k=10^-4～10^-5cm/s。
    ②粉質(zhì)粘土：棕褐色、淺灰黃色，成份以粉粒為主，含少量有機(jī)質(zhì)及粉砂質(zhì)，軟塑～可塑狀。微層理發(fā)育，含水量較高，滲透系數(shù)平均值k=1.34*10^-4cm/s，力學(xué)強(qiáng)度較低。連續(xù)分布，層厚1.6m～4.9m，頂板高程23.49m～24.86m。
    ③粘土：褐黃色、淺黃色，成份以粘粒為主，可塑～硬塑狀，透水性弱，滲透系數(shù)k=1.6*10^-8～3.5*10^-6cm/s。連續(xù)分布，層厚7.1m～11.7m，頂板高程18.6m～21.89m。
    ④粉質(zhì)粘土：灰色，成份以粉粒為主，次為粘粒，飽和，軟塑狀，含水量高，透水性弱，力學(xué)強(qiáng)度較低。連續(xù)分布，厚7.3m～10.9m，頂板高程8.54m～11.50m。
    ⑤含泥砂礫卵石：黃色、灰色、紫紅等雜色，成份以卵石為主，稍密～中密，厚0.2m。僅在個(gè)別鉆孔深部發(fā)現(xiàn)。
    ⑥全風(fēng)化花崗巖：灰白夾灰綠色，巖芯成土柱狀。連續(xù)分布，頂板高程0.4m～1.69m。鉆孔未揭穿該層。

    3.1.3 水文地質(zhì)條件

    河西堤某段位于潯江一級(jí)階地前緣岸坡及河漫灘上，地下水主要為孔隙水，次為裂隙水及少量上層滯水?？紫端饕x存于第四系松散及堆積層中；裂隙水埋藏于下伏基巖花崗巖裂隙中；上層滯水零星分布于人工填土和第四系粘性土中，均受大氣降水補(bǔ)給，且向河流排泄。
    最新勘察成果表明，②層粉質(zhì)粘土為新近沉積層，結(jié)構(gòu)稍松，液性指數(shù)較大，在淺部（2～3m）已有I_L=0.33～0.67, 滲透系數(shù)較大，其平均值k=1.34*10^-4cm/s；而下伏③層粘土屬早期沉積，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，除靠近頂部（孔深6～7m）I_L較大（>0.5）外，一般I_L<0.3，且滲透系數(shù)普遍較小，平均值 k=1.74*10^-6cm/s。這種上、下二層滲透性差異較大的土層組合結(jié)構(gòu)，由于下部③層微透水層的阻隔，地下水多匯集于③層頂部（亦即②層的底部），調(diào)查發(fā)現(xiàn)岸坡地下水出露點(diǎn)高懸于勘探期河水位以上5~6m的半坡中。

    3.1.4 不良地質(zhì)現(xiàn)象

    前期勘察資料表明，本段河岸曾發(fā)生5處滑坡?；麦w產(chǎn)生于岸坡中部，垂直滑向河床，滑坡后緣線均呈弧形，滑坡體厚度一般均小于6m，屬淺層滑坡，詳見表2。

表2       梧州市河西堤某段岸坡滑坡統(tǒng)計(jì)表

滑坡體編號(hào)

滑坡體現(xiàn)狀

（1997年?duì)顩r）

滑動(dòng)面

深度

(m)

滑坡體

面積

(m²)

滑坡體

總體積

(萬(wàn)m³)

地下水

情況

滑坡規(guī)模

類型

Ⅰ

正在滑動(dòng),在坡腳已做了拋石處理,滑距1.0m左右。

3.00

900

0.27

 

淺層滑坡

Ⅱ

未見滑動(dòng),處于臨界狀態(tài)。

3.0～6.20

15000

3～4

中上部多處地下水冒出

淺層滑坡

Ⅲ

正在滑動(dòng),滑距0.5～2.0m。

3.0～6.00

9500

2～3

上部有多處地下水冒出

淺層滑坡

Ⅳ

正在滑動(dòng),滑距0.5～1.10m。

2.00

550

0.110

有少量地下水沿裂面滲出

淺層滑坡

Ⅴ

正在滑動(dòng),滑距0.5～0.80m。

1.0～2.50

1000

0.200

 

淺層滑坡

    上述淺層滑坡實(shí)質(zhì)是天然河岸的局部岸坡失穩(wěn)，構(gòu)成滑坡體的地層均以第四系沖積②粉質(zhì)粘土為主，中上部有多處地下水冒出。

    3.2 天然岸坡穩(wěn)定問題分析

    由于土堤的②層粉質(zhì)粘土為天然地基，岸坡的穩(wěn)定可能直接影響土堤的穩(wěn)定，尤其是岸坡的深層抗滑穩(wěn)定問題，對(duì)土堤的整體穩(wěn)定起控制作用。
    野外調(diào)查天然岸坡失穩(wěn)均為淺層滑坡，但前期報(bào)告穩(wěn)定驗(yàn)算選用的計(jì)算模型未考慮特殊的岸坡土體結(jié)構(gòu)，把②、③層合并為③層考慮，加上選用較低的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。自動(dòng)搜索計(jì)算結(jié)果：岸坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)K=0.89，且滑面切入河床底④層,與本段岸坡狀態(tài)整體穩(wěn)定現(xiàn)狀明顯不符。

    3.2.1 岸坡不良土體結(jié)構(gòu)

    本次勘察揭露，本段堤防堤前岸坡主要由三大層構(gòu)成，即：②新近沉積的粉質(zhì)粘土，③早期沉積的粘土及④灰色粉質(zhì)粘土，其中②、③層（前期勘察合并為第③層）構(gòu)成岸坡中上部主體，第④層深埋于15～20m以下。需強(qiáng)調(diào)的是，本次勘察發(fā)現(xiàn)，第②層與第③層土的性狀差異明顯，不能合并，主要體現(xiàn)在稠度狀態(tài)及滲透性上，尤其是后者。第②層粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)平均值k=1.34*10^-4cm/s，而其下伏第③層滲透系數(shù)平均值k=1.74*10^-6cm/s，二者相差達(dá)100倍，即第③層成為第②層的阻水層，以至地下水極易匯集于②、③層之間，由此形成②、③層之間的飽水接觸地帶。岸坡水文地質(zhì)調(diào)查證實(shí)，岸坡中上部常見地下水呈下降泉流出或形成大片濕地。此外，橫剖面勘察成果反映第③層頂面起伏較明顯。因此，綜合上述土體結(jié)構(gòu)分析，尤其是存在第③層阻水土層及②、③層之間局部易形成軟弱飽水接觸帶，本堤段的淺層滑坡主要受控制于②、③層接觸帶。如果恢復(fù)為未修護(hù)坡之前的原始地形，岸坡呈上（②層）陡（坎高5m～7m）下（③層）緩（約20°），岸坡中上部沿②、③層接觸帶穩(wěn)定性差（K=0.96～0.8），與淺層滑坡發(fā)育情況吻合，若再遇第③層頂面起伏影響而出現(xiàn)向河一側(cè)傾斜產(chǎn)出，沿②、③層接觸帶的淺層滑坡更易發(fā)生。
　　可見，上述滑坡形成的主要控制因素是本段特殊的岸坡土體結(jié)構(gòu)，即第②層相對(duì)屬偏強(qiáng)透水的新近沉積與下伏第③層微透水早期沉積粘土層的不利組合。

圖3-1堤基土體結(jié)構(gòu)示意圖

 

    3.2.2 土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取

    由于③層硬臥層頂板的阻水、滯水作用，與上覆土體②層底部一起，長(zhǎng)期飽水軟化，形成一定厚度的軟弱飽水接觸帶。分別對(duì)②層、③層抗剪強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)后取小值平均值，可能就是“接觸帶”的強(qiáng)度指標(biāo)。據(jù)此計(jì)算，在硬臥層下再出現(xiàn)軟層時(shí)（見圖3-1），軟件自動(dòng)搜索的計(jì)算結(jié)果，滑弧將穿越硬層，深入軟層，這與現(xiàn)場(chǎng)滑坡調(diào)查結(jié)果均為淺層滑坡不符。因此，硬臥層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)剔除頂板附近低值以后的再統(tǒng)計(jì)。這種情況下，“接觸帶”才是危險(xiǎn)滑面，應(yīng)有針對(duì)它的取樣試驗(yàn)，否則可考慮以②層或③層抗剪強(qiáng)度參數(shù)最小值為代表。
    綜合分析已有抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)，針對(duì)“接觸帶”的取樣試驗(yàn)少，取第②層最小值作為“接觸帶”指標(biāo)，其余土層取平均值（取值詳見表3）。

表3    堤基抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

工況 編  號(hào)

土體

結(jié)構(gòu)

分層土

抗剪強(qiáng)度

滑面或最危險(xiǎn)滑面位置

最小安全系數(shù)

K

抗剪強(qiáng)度取值

修坡后天然岸坡

(1)

③粘土

④灰色粉質(zhì)粘土

C=10kPa,φ=10°

C=10kPa,φ=12°

③層底部

 

0.887

初設(shè)

成果

(2)

②粉質(zhì)粘土

③粘土

④灰色粉質(zhì)粘土

C=19kPa,,φ=7.2°

C=53kPa,φ=13.3°

C=30kPa,φ=12°

切入河床④層

 

1.56

最小值

平均值

平均值

(3)

②粉質(zhì)粘土

②軟弱接觸帶

③粘土

④灰色粉質(zhì)粘土

C=19kPa,,φ=7.2°

C=8.5kPaφ=11.1°

C=53kPa,φ=13.3°

C=30kPa,φ=12°

沿②層

 

 

切入④層

2.11

 

 

1.58

最小值

最小值

平均值

平均值

筑堤加載施工期

(4)

①土堤

②粉質(zhì)粘土

②軟弱接觸帶

③粘土

④灰色粉質(zhì)粘土

C=25kPa,φ=15°

C=19kPa,,φ=7.2°

C=8.5kPaφ=11.1°

C=53kPa,φ=13.3°

C=30kPa,φ=12°

沿②層

 

 

 

切入④層

1.71

 

 

 

1.495

平均值

最小值

最小值

平均值

平均值

(5)

①、②、③、④同上但②傾向坡外5°

同上

沿②層

1.667

同上

    3.2.3 堤外水流條件變化

    由于本堤段上游段地處沖刷河段，新建堤防縮窄行洪斷面，岸坡的抗沖穩(wěn)定直接影響岸坡乃至堤基抗滑穩(wěn)定性。若不考慮岸坡坡腳采取護(hù)岸措施，計(jì)算水位降落期岸坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)為K=1.09，說明在水位降落期的穩(wěn)定性已進(jìn)入臨界狀態(tài)， 因此，岸坡坡腳采取護(hù)岸措施是必要和合理的。

    3.2.4 堤基抗滑穩(wěn)定工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

    對(duì)本堤段堤基及岸坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算簡(jiǎn)圖3-1，計(jì)算成果見表3。分析表3可知，經(jīng)修坡、護(hù)岸后，無(wú)論是天然狀態(tài)，還是土堤加載的情況下，堤基岸坡中上部土體穩(wěn)定性較好，K≥1.71；即使遇接觸帶向河傾（5°）時(shí)，沿接觸帶抗滑安全系數(shù)K=1.67，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。在未考慮拋石護(hù)坡及抗滑齒槽作用時(shí)，堤基岸坡整體穩(wěn)定性良好（最不利滑弧切入④層，K=1.56），土堤加載情況下，施工期穩(wěn)定性仍較好（K=1.495）。經(jīng)竣工后現(xiàn)場(chǎng)復(fù)查，除岸坡中上部（地下水出滲處）因局部潮濕而變形稍大外，堤基岸坡整體穩(wěn)定性良好。

    4、結(jié)論

    1）對(duì)不良土體堤基，土體不利結(jié)構(gòu)直接控制堤基的抗滑穩(wěn)定性。不良土體堤基抗滑穩(wěn)定問題評(píng)價(jià)，從查明堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)入手，深入分析土的物理力學(xué)性質(zhì)，綜合考慮環(huán)境因素，可以得出更為合理的評(píng)價(jià)。
    2）梧州市河西堤某段岸坡滑坡形成的主要控制因素是本段特殊的岸坡土體結(jié)構(gòu)。經(jīng)修坡、護(hù)岸后，無(wú)論是天然狀態(tài)，還是土堤加載的情況下，堤基岸坡整體穩(wěn)定性良好。初步計(jì)算表明，在水位降落期的穩(wěn)定性已進(jìn)入臨界狀態(tài)，岸坡坡腳采取護(hù)岸措施是合理的。
    3）前期勘察成果，理論計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不統(tǒng)一。通過引用系統(tǒng)理論，綜合考慮三大要素，校正了前期成果，得出了合理的計(jì)算結(jié)果和評(píng)價(jià)結(jié)論，并得到了實(shí)踐的檢驗(yàn)。