淤泥质地基堤防填筑施工控制技术研究

郭 军 陆美凝 霍中元

（江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 金湖 211600）

0 引言

南水北调金湖站工程是南水北调东线一期工程的第2 梯级泵站，位于江苏省金湖县银集镇境内三河拦河坝下的金宝航道输水线上。泵站底板底面高程-3.35～-2.10 m，上游引河设计堤顶高程15.0 m，下游引河设计堤顶高程9.5 m，上、下游引河河底高程分别为4.5 m 和1.5 m。场地地面平均高程为6.5 m，下卧层包含过湿杂填土和淤泥质粉质粘土，含水率大，强度低，压缩性高，严重制约了工程正常施工进度，并影响工程后期安全运行。泵站淤泥质土层主要分布在高程5.0 m～2.0 m 之间，所以淤泥质土层施工控制技术是河道开挖和堤防填筑施工过程中的关键。

1 研究目的

在过湿软土地基场地进行挖填方施工存在工艺和技术两大难题：其一是场地可进入性差，限制了开挖机具和运输机具作业；其二是软基开挖坡体稳定性差，施工进度过快容易导致塌方。对于场地高地下水位的处理，最为常用的方法是进行井点降水或预压固结，前者适用于挖方工程，后者较适用于填方工程。选择合理的降排水方案以提供良好的作业面是本技术研究顺利开展的重要保障。软基填方工程中，施工速率控制是关键环节，分期加荷可阶段性提高软基土体的不排水强度，从而保证填方边坡施工过程中的整体稳定性。

水泥土搅拌桩复合地基能够显著提高持力层竖向承载力，有效控制地基沉降，因而广泛应用于各种类型的软土地基处理中。与一般建筑物软基加固有所不同，堤防等软基边坡工程的加固处理的首要问题是提高边坡整体抗滑稳定性。由于搅拌桩复合地基发挥抗滑作用时桩体在软土层中的悬臂效应易引起弯折问题，从而使桩体抗滑能力受到限制。同时，搅拌桩施工过程中容易形成随机分布的水平劣质夹层致使部分桩体丧失水平抗力。因此，采用搅拌桩处理软基边坡，其抗滑稳定的加固效果不甚理想。

针对本工程中存在的主要工程问题，提出了以下游堤防龙沟降水联合堆载预压挖填方施工技术和上游水泥土搅拌桩连拱抗滑墙与抗滑桩联合应用加固软基技术为主体思路，解决下游引河堤防过湿场地挖填方施工控制和上游引河堤防边坡稳定问题。

1.1 下游堤防龙沟降水联合堆载预压挖填方施工技术

金湖站下游引河堤防总体特点是：浅挖低填，开挖面宽大。若采用强制机械式降水方案，一方面存在布置范围广、工程造价高、持续工期长等问题，不仅影响施工作业面，而且增加施工困难；另一方面，本工程下游堤防填筑因缺少优质土源，施工组织设计方案拟定采用淤泥质土筑堤，将面临挖填土方含水率控制以及填筑后整体堤防稳定性分析等一系列问题。因此，提出采用龙沟降水联合堆载预压的施工技术研究，挖方施工实施分块递进削坡以保障坡体稳定性；堤身填筑碾压控制在软土地基强度逐步提高过程中分层分级施工，以达到通过龙沟降水提供良好的开挖作业面，并通过降水联合堆载预压提高软基土体强度，从而保障堤身填筑主体稳定性和局部稳定性。

1.2 水泥土搅拌桩连拱抗滑墙与抗滑桩联合应用加固软基边坡研究

本项目提出采用水泥土连拱抗滑墙构造加固软基边坡的应用与分析研究。连拱抗滑墙构造主要是由沿滑动方向并排排列的水泥土搅拌桩抗滑墙和以墙端为拱脚的水泥土搅拌桩连拱墙两部分构成，抗滑墙墙端设置钢筋混凝土抗滑桩以进一步提高抗滑能力。拱墙作用在于承担不平衡土压力并将其传递到抗滑墙上；抗滑墙作用在于将大部分拱墙及墙间土传递来的水平推力转移到下部硬土层和抗滑桩，抗滑墙须进入硬土层足够深度以保证其发挥抗滑作用。可见，连拱抗滑墙能够充分发挥水泥土的抗压能力和抗剪能力，同时该结构型式水平截面的抗弯能力大，基本不存在弯折问题。由于结构整体性好，即使单个桩体在施工过程中有随机出现的劣质层，也不会显著削弱抗滑墙整体抗滑能力。拱墙作为嵌入地基中的结构性拱不仅提供了更可靠的土压力传递机制，而且增加了抗滑墙在布置上的灵活性。

2 主要研究内容及研究方法

2.1 主要研究内容

（1）筑堤土体基本室内试验

选取代表性施工场地地基土样做土体基本物理力学性质试验，主要进行颗粒分析试验、渗透试验、液塑限试验、强度试验、固结试验和击实试验等。

（2）上游引河堤防搅拌桩加固型式优化及机理研究

考虑淤泥土质特点、堤防设计要求、填筑工艺以及工期造价等因素，本项研究提出长墙连拱结合混凝土抗滑桩加固方案，能够充分发挥结构抗滑能力，并在此基础上进行优化探讨。

（3）现场试验研究

测试堤防施工期和运行期引河上游堤防、地基土体和搅拌桩拱墙加固体的变形和应力的变化规律，为分析优化方案处理地基的加固效果提供依据，同时为分析堤防在施工期和运行期的安全稳定性提供参考，并应用现场测试技术，掌握施工过程中地基土力学性质变化规律。主要包括：堤身变形监控、堤身及堤基含水率动态测试、孔隙水应力测试，以充分了解软土地基在持续排水、间断加载筑堤及堆载预压等工程措施条件下的压缩固结及强度增长规律。

（4）软基开挖和筑堤过程渗流分析与控制

根据施工方案，结合工程水文和地质条件，研究在淤泥土地基上进行河道开挖和堤防填筑过程的渗流场特性及堤防抗渗特征；研究施工期不同工况渗流场变化及其对施工期工程稳定性影响；同时对工后堤防典型运行工况下的渗流场变化规律进行研究，以提出施工期渗流控制方法。

（5）淤泥质土地基堤防填筑整体稳定性变化规律

针对施工过程加、卸载特征，结合堤防渗流场变化规律，深入研究堤身和地基应力场分布及其变化特征，揭示堤防整体稳定性随加、卸载在时间过程上的变化规律。

（6）河道开挖和堤防填筑施工优化

通过模拟分析开挖和填筑工程条件的土力学参数变化，充分结合开挖卸荷、充分排水固结和堆载及超载预压固结等有利作用，提出优化施工工序控制方法。

（7）堤防开挖与筑堤过程固结分析及施工预测模型

通过数值分析方法，研究开挖和填筑过程中土体固结变化规律，从而进行适应淤泥土质地基土开挖和堆载预压及复合地基处理等反演分析及预测研究。

2.2 研究方法

本项目研究通过土工试验、现场测试、数值分析和理论研究系统论证龙沟降水联合堆载预压技术的可行性及固结引起强度增长过程中边坡安全性变化规律，验证连拱抗滑墙加固软基边坡的可靠性。

2.2.1 土工试验

选取代表性施工场地地基土样做土体基本物理力学性质试验，主要进行颗粒分析试验、渗透试验、强度试验、固结试验、击实试验等。取样数量：共设取芯钻孔10 孔；全孔取样，取样深度8.0 m。

对于现场取得原状土主要直接做剪切试验、固结试验、渗透试验与固结不排水剪切试验；对于中间软弱淤泥土夹层则重点进行强度与压缩固结特性分析。

2.2.2 现场测试

根据本工程施工特点、周边环境特点及设计常规要求，监测主要内容为：①地表沉降观测和地基土体深层沉降观测；②地基土体深层水平位移观测；③坡面沉降和水平位移观测；④地基土体孔隙水压力、土体压力观测；⑤堤身土体含水率测试。

（1）地表沉降观测

堤防填土施工前在地基表面预埋沉降板，沉降板底部钢板的平面尺寸为500 mm×500 mm，厚度为10 mm，钢板中心焊接长度为30 cm，沉降观测所用水准仪为自动安平水准仪，钢尺为铟钢尺。

（2）土体深层沉降位移观测

在地基的压缩深度范围内埋设分层沉降仪，以测定地基不同深度在不同时期土体的分层压缩量。分层沉降观测采用分层沉降仪，分层沉降仪测头放入沉降管后，在磁环位置会鸣叫，为保证测试精度，先将测头放入最下面磁环以下，然后慢慢上提测头，记录磁环位置，反复两次取均值。

（3）地基土体深层水平位移观测

测斜管采取钻孔埋入式，在支护结构附近土体打孔，然后将测斜管埋入，安装时其中一对槽口要垂直于挖土面。预设计为4 点，孔深设置为12 m，观测所用仪器为伺服加速度测斜仪。测斜管埋设示意图如图1。

图1 测斜管埋设示意图

（4）坡面沉降和水平位移观测

坡面沉降和水平位移测点采用预制式观测标志，在设计埋设位置处采用动力打入的方式将观测标志打入边坡坡面的土中。沉降观测所用水准仪为自动安平水准仪，所用钢尺为铟钢尺。水平位移观测采用三角网法，用TOPCON 全站仪观测。

（5）地基土体孔隙水应力观测

孔隙水压力观测采用XP-02 型振弦式频率计进行。

（6）堤身填土含水率测试

根据不同的埋置深度挖相应深度的坑，将土壤湿度计竖直放入，用力下压使其头部的钢针插入开挖底面以下的填土中，并注意填土和土壤湿度计应紧密接触，然后将填土分层填入并夯实。含水率采用土壤湿度计测试。

（7）测试断面及测点布置

测试共布置4 个断面，上游、下游堤身中各2 个，具体布设方案见图2、图3。

2.2.3 数值分析和理论研究

对于土体沉降预测采用反分析理论，建立太沙基一维固结模型。根据太沙基固结理论，固结度计算公式为：

式中：

反演分析所需要的沉降计算公式为：

式中：

u0—附加应力值，取加载于原地面的土体荷载值u0=γh=60 kPa；

mv=av/（1+e）使用室内试验数据，取为0.893 MPa-1；

H—排水距离，考虑整体沉降，定为10 m。

反分析所用目标函数：

J（CV）=Σ［S（T）-S′（T）］2式中：

S′（T）—T 时刻实测位移值；

S（T）—T 时刻计算位移值。

本项目在实测资料的基础上开展参数反演和沉降预测，与实测沉降规律符合较好，预测的工后沉降可作为施工和工程管理的参考依据。

对于堤防墙体加固方案采用FLAC 软件建立三维数值模型进行数值模拟分析，采用摩尔-库伦弹塑性模型，考虑在单跨拱段内为对称问题，建模时采用半跨建模，利用极限平衡方法对迎、背水坡墙体单拱结构进行内力分析。

3 主要研究成果

3.1 取得的研究成果

（1）对于偏弱透水性过湿场地开挖工程，采用主龙沟降水能够形成良好的工作面，同时结合采用分块削坡方案，可以显著降低新生成坡面表土含水率，降低局部流滑可能性。

图2 下游测试断面布置示意图

图3 上游测试断面布置示意图

（2）通过龙沟降水结合堆载预压方案加速软基排水固结，软土强度得到逐渐提高，采取分区分级动态控制填方边坡填筑速率有效地保障了施工过程边坡整体稳定性。

（3）搅拌桩复合地基加固软基边坡存在悬臂效应和随机出现的水平劣质层，降低了搅拌桩的抗滑能力，若采用复合强度进行稳定分析，存在安全系数被高估的风险。连拱抗滑墙加固软基边坡能够充分发挥水泥土抗压能力和抗滑能力，在相同置换率的情况下大幅提升了边坡安全性和可靠性。

3.2 本项目创新之处

（1）龙沟降水和堆载预压联合应用，可避免采用管井降水、真空预压等方案而增加工程成本，保障了工程安全；采用数值方法联合求解固结和地下水降水过程，同时得到堤基固结度，可建立软土强度增长模型用以指导施工。

（2）提出采用连拱抗滑墙结合抗滑桩加固有限深度软基边坡，在结构形式上可避开搅拌桩弯折问题且不受劣质层影响，加固效率高，可靠性好。

4 研究成果的科学意义和应用前景

本项目将中心龙沟降水与堆载预压相结合用于解决过湿场地挖填方的技术困难和保障堤防边坡的稳定性，超越了挖方中简单明沟排水和填方中分级加载控制技术，突出了施工控制对于保障工程质量的重要性，具有创新性；根据水泥土抗压能力强的特点，提出采用水泥土连拱抗滑墙加固上游有限深度软基，克服了搅拌桩复合地基存在的主要工程问题，具有理论突破性。

项目的研究成果可以应用于长江中下游地区软基堤防和各类边坡工程加固，也可以推广到一般具有软弱地基的挡墙、路基等工程中。对于本项目的后续研究，可进一步通过不同类型软基边坡现场试验和应用研究获得更丰富的数据和适用性支持，以使成果得到更广泛的推广应用。