溃口修复段堤防局部沉陷成因分析

许冶佳，张 鹏，郭志扬

(1.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江 哈尔滨 150081；2. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

溃口修复段堤防局部沉陷成因分析

许冶佳1，张 鹏2，郭志扬2

(1.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江 哈尔滨 150081；2. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

溃口堤防在抢险封堵中受各方面因素限制，可能存在薄弱环节，运行中往往会出现管涌、渗漏与边坡失稳等险情。为此，及时查明出险情况，做出成因诊断，对于评价堤防安全，采取相应措施意义重大。本文以某溃口修复段堤防为例，综合运用探地雷达、沉降观测等手段，对岸坡的局部沉陷成因做出了合理分析。即溃修段填筑以粗颗粒风化料为主，级配差，加之抢险施工碾压不密实，在高水位下易出现渗透变形引发的沉陷。今后类似溃决堤防堵口需改进填料、加强防渗措施。

堤防；隐患探测；沉降观测；成因分析

我国堤防洪水期出险包括管涌、漏洞、脱坡、散浸、跌窝等，类型复杂，除险加固难度大[1]。因此，及时查明险情类型，合理进行成因分析，对于堤防安全运行至关重要。通常堤防的险情分析主要从两方面入手，其一是总结历年险情情况，根据经验判断险工险段与类型成因[2]；其二是通过理论计算，结合土体试验完成险情定性分析[3]。上述方法虽然能基本满足堤防险情分析的要求，但对于缺乏历年相关资料、影响因素复杂的溃口修复段堤防，则可能存在误判、漏判的情况。因此有必要进行针对性研究。

本文以某溃修段堤防为例，针对出现的迎水坡局部沉陷，首先初步判断其破坏机理，然后使用探地雷达方法大致确定隐患类型与分布，进而在沉降监测资料处理基础上，重点对其异常值进行评判，最终实现险情的综合分析，并提出合理建议。

1 岸坡沉陷概述

某堤段全长约600 m，其中450 m为2013年特大洪水后溃口重修段。堤顶宽8 m，两侧坡比均为1∶4，迎水坡自上而下依次铺设15 cm厚混凝土护板、10 cm砂砾石垫层和复合土工膜；背水坡暂时未作覆盖处理。迎水坡前约有60 m滩地，铺有砂砾石垫层，江边设有抛石护岸，整个迎水侧布置有防渗墙与土工膜，防渗设施较为完善。溃口抢险施工时，由于冲坑较深，首先对底层采用毛石挤淤法，其上回填风化料至地面，顶层加高培厚砂性土约2 m。

由于抢险施工时间紧迫，在填料组成、施工质量控制方面难以严格要求，同时存在雨天施工与冬期施工的情况，推测填料密实度方面可能相较普通堤防稍差，但该堤段采取了相对完善的渗控措施，因此在险情分析方面具有一定复杂性。

现场观察到研究堤段桩号2+240附近，迎水坡中下部发生较明显沉陷，混凝土板下凹，虽然对垫层重铺修复，但经过汛期，该位置再次出现明显的沉陷。考虑到该处为溃口重修段的特殊性，沉陷关联因素较为复杂，可能涉及溃修段填料性质、抢险填筑时遗留的隐患、防渗设施的破损以及雨水坡面入渗等，固有必要对其成因开展综合分析。现场沉陷险情如图1所示。

2 破坏机理初步分析

研究堤段所处地层为冲积形成的第四系松散堆积层，参照地勘资料，堤防表面1.1～4 m以下为级配不良细砂，为加高培厚部分，其下溃口封堵层包含有大量的碎石、卵石、砾石、及砂粒料，属于中等透水-强透水特性，抗渗稳定较差；堤基则由级配不良粗砂及原始堆积的低液限黏土、级配不良细砂、级配不良中砂组成。堤段主要土层参数见表1。

图1 迎水坡现场沉陷情况

填土岩性干密度ρd/(g·cm-3)孔隙比e含水率w/%粘聚力C/kPa内摩擦角φ/(°)渗透系数k/(cm·s-1)级配不良细砂————245×10-3级配良好粗砂————284×10-2低液限黏土1.440.90227.720185×105

故该堤段主体填料以粗砂风化料为主，承载力高，抗剪强度较好，且两侧坡度较缓，抗滑稳定满足要求，但风化料粗颗粒含量大，骨架作用明显，渗透系数大，主要风险以渗透破坏为主。当达到临界水力坡降后，土体中细颗粒会沿粗颗粒骨架流失，即出现管涌类型的渗透破坏[4]。该破坏方式多出现于颗粒级配稍差、不均匀系数大的砂砾料土层中[5]。综上所述，初步推断研究堤段沉陷为渗透破坏所致，考虑该位置填筑时留有隐患，在高水位或坡面雨水入渗作用下，土体流失，堤防失去支撑，从而出现局部跌窝现象。结合填料物理力学特性，存在细颗粒沿集中渗漏通道流失，发生管涌破坏的风险。初步确定破坏机理后，针对险情发生位置的隐患范围、类型与破坏原因进行分析。

3 成因综合分析

3.1 隐患探测分析

本文采用探地雷达方法对该区域附近开展隐患探测工作。探地雷达(GPR)是无损检测的代表手段[6]，在不对目标体造成损伤的前提下，即可获得较高的精度与直观的结果，工作效率高。其原理是通过天线向地下目标体发射电磁波，由于不同地层或介质存在电性差异，所以通过解译反射回的电磁波信号就可以获得地下介质的分布情况。雷达图像解译关键在于识别异常信息，主要通过分析同相轴形态、雷达波振幅、频率等，同时也要结合具体的地质特征和以往的探测经验综合判断。

探地雷达野外探测主要流程如图2所示[7]。

图2 雷达野外探测流程图

溃修段堤防探测目标主要为填筑不密导致的裂隙、空洞及富水区域，反映在波形特征表现为同相轴错断、强反射区与多次反射等。在现场以沉陷部位为中心，向两侧扩展，分别在堤顶、迎水坡坡面、坡脚，沿堤防轴向布置三条测线，以探测不同位置与深度的隐患情况。选择天线中心频率100 MHz时窗开至300 ns，采样率取1024采样/测点，采样频率设为30测点/秒，测量时选择自动增益，后期数据处理时再作修正。平滑降噪取3 MHz，低通滤波为300 MHz，高通滤波为25 MHz。完成相关参数设置后，即可沿测线拖动天线进行探测。在对雷达结果处理分析后，发现坡脚测线190～210 m出现异常，图像如图3所示。

图3 迎水坡坡脚雷达图像

由图3可知，大部分区域反射波平缓，随深度平稳衰减，同相轴连续，说明填筑密实度较好。但是在剖面水平距离190～210 m之间，垂直深度1～3 m的范围内，同相轴出现断裂与局部不连续的情况，同时接收到的反射波强度与同深度相比有所增大，而沉陷则恰好出现在这一区域。由此推断该处可能受抢险封堵时间紧迫、质量控制不严等因素制约，碾压填筑不密实，存在小的空洞与含水裂隙。

根据雷达探测结果，基本确定了坡脚隐患的类型与分布，但沉陷发生的具体原因仍无法确定，还需结合沉降监测资料作进一步分析。

3.2 沉降监测资料分析

排除现场监测期间人为活动干扰，结合破坏位置的填土特性与隐患情况，可以确定沉陷的发生与堤防内渗流情况密切相关。另外，该区域夏季降雨强度大、历时短，加之迎水坡有混凝土板保护，雨水主要以地表径流形式排走，可排除降雨入渗对堤身的破坏作用[8]。同时，在江水位较低时并未发生沉陷，水位上涨后出现该问题。因此，江水位的涨落是引起沉陷的外部决定性因素。

现场布设了多个垂直位移观测点，用以监测堤段不同位置的变形情况。本次所研究的岸坡沉陷位置，包含在沉降与水位观测范围之内，大致处于测点DS15-DS16之间，沉降观测依据二等水准规范，使用精密光学水准仪配合测微器、铟钢尺，采用闭合水准路线，高程基点选定在附近沉降稳定的村庄，通过10个过渡点引至堤脚，再经过堤顶与堤脚共计42个测点组成闭合回路，完成水准方案布设。测点分布如图4所示。

其中观测总历时为5个月(5月26日—10月14日)，每测次之间间隔15～20 d。观测周期内主要影响因素包含堤防自重、堤顶活荷载、江水位的涨落、降雨、温度等，其中个别测点可能受到重型车辆碾压等人为破坏，已在资料粗差分析中剔除，而后对预处理过的数据作出沉降累积曲线，如图5所示。其中横坐标为测点编号，纵坐标为累积沉降量。通过分析沉降累计曲线，可以看出大部分堤顶测点沉降均在12 mm以内，堤脚沉降则不超过6～8 mm，并且每次测量大多数点位的沉降值基本连续变化，且沉降速率逐步减小，说明整体沉降符合规律。

但对比堤顶测点DS15、DS16在7月17日与7月28日的两次测量结果，发现其发生了较大的沉降值突变，而迎水坡沉陷恰好发生在这两个测点之间，结合雷达探测结果，该处堤防可能存在填筑不密实的情况，说明期间某些环境量的改变诱发了本已薄弱的堤段发生明显沉陷。在8月9日及其后测量中，沉降值又恢复连续变化规律。堤防各测点累计沉降曲线如图5所示。

图5 测点累积沉降值曲线

根据以上监测资料，岸坡沉陷集中发生在7月中旬，而这一时期正处于该流域汛期，江水位恰位于一年中极值。在该水位下测点沉降值突然增大，而之前沉降均以渐变形式变化，说明高水位时，江水可能沿土工膜破损或结合不良位置渗入堤身，对填筑不密，存在孔洞、裂隙、松散土层的薄弱部位造成渗透破坏，渗水沿孔隙通道带走细颗粒，使堤防迎水坡局部失去支撑，而引发岸坡沉陷发生。

4 结论与建议

综合上述分析过程，首先通过土体物理力学参数，判定了堤防沉陷破坏的机理为细颗粒在渗透水流作用下沿粗骨架空隙流失，进而引发岸坡局部沉陷；然后通过探地雷达隐患探测方法，大致确定了隐患类型为局部土体填筑不密实，其分布在迎水坡坡脚以下垂直距离3 m，水平约20 m的范围内； 最后，依据布设在溃修段堤防的监测设备所采集的数据，在资料处理的基础上，结合断面位置水位与该位置测点累积沉降曲线，推断出岸坡破坏成因应为迎水坡局部土工膜破损或土工膜接合处理不当，导致在高水位时，江水透过土工膜渗入堤身，将本身填筑不密部位的细颗粒带走，产生渗透破坏，表现为堤防局部岸坡沉陷。

针对本次研究中溃修段堤防出现的问题，提出两点建议如下：

(1)溃修段堤防主要破坏形式为渗透破坏，因此要加强防渗墙、土工膜等防渗措施的质量控制，特别对于作为薄弱环节的土工膜接缝，可以采取新的工艺和方法，保证防渗效果[9]。

(2)溃口封堵属于抢险施工，工期紧迫，但在施工时也要加强质量控制，尽量保证填料合理的颗粒级配，填筑碾压时避开雨期与冬季或尽量减小其不利影响，保证填筑的密实度。做到堵口施工少留甚至不留隐患，为堤防安全运行提供保障。

通过开展对溃口修复段堤防破坏成因的分析研究，明确其破坏机理，总结分析手段与方法，不仅可以指导当前及类似存在问题堤防的除险加固，同时也可为今后堤防封堵抢险工作提供参考与建议。

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[5] 毛昶熙. 堤坝安全与水动力计算[M].南京：河海大学出版社, 2012.

[6] 张伟, 李姝昱, 张诗悦,等. 探地雷达在水利工程隐患探测中的应用[J]. 水利与建筑工程学报, 2011, 9(1):34-38.

[7] 曾昭发. 探地雷达原理与应用[M].北京：电子工业出版社, 2010.

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Analysis of embankment partial subsidence in repair section after broken

XU Yejia1, ZHANG Peng2；GUO Zhiyang2

(1.HeilongjiangSanjiangEngineeringConstructionAdministrationBureau,Harbin150080,China; 2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineeringinHohaiUniversity,Nanjing210098,China)

There might be some dangerous situation such as piping, leakage and slope instability etc, when the broken embankment has been repaired urgently. So it was important to figure out the exiting threatened situation and make genetic diagnosis timely, which can help to evaluate its safety index and take corresponding measures. In this paper, the rational reasons of partial subsidence was analyzed by taking comprehensive approaches such as ground penetrating radar and observed settlement. The conclusion showed that the coarse particles weathered material which was filled with the broken dike has poor gradation and leakiness rolling craftwork. Therefore it was easy to appear the settlement caused by seepage deformation. It was necessary to take some measures to strengthen filling materials in similar situation.

embankment; latent danger detection; settlement observation; cause analysis

许冶佳(1984-)，男，黑龙江绥化人，工程师，主要从事水工安全监测方面的工作。E-mail:150779374@qq.com。

TV871

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2096-0506(2017)06-0023-05