深软基筑坝中反压平台的应用研究

马正逵，秦煜杰，杨丰铭

昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093)

软土地基工程性质较差，在软基上筑坝难度较大，施工过程中坝体可能会出现不同程度的滑坡、裂缝等问题。当坝体出现裂缝、滑坡，应采取相应的有效措施处理[2]。国内众多学者对此进行了大量研究和实践，孙彦东[3]结合一期尾矿坝的建设技术阐述了软基土石坝的施工技术在建设工程上的探索与实践应用情况;张程等[4]对塑料排水板处理后的深厚淤泥质软土地基在筑坝过程中的固结变形行为进行了研究;李晓平等[5]采用理论计算和离心模型试验相结合的方法，论证了采用分期、分段预压的设计和施工筑坝技术的可行性。然而，在软基筑坝中反压平台法是一种施工简单方便、见效快、就地取材的处理方法[6]，即在土石堤坝两侧用土、砂、砂砾石、石渣等在软土上填筑镇压台，形成反压荷载[7]。反压平台法很大程度减少了工程造价，缩短了工期。

本文在考虑了施工工况、残余强度和裂缝等因素下，计算了反压平台不同规模对坝体一次性填筑和分步填筑时坝体抗滑稳定性的影响。为该项目提供参考，其研究成果可推广应用到其他反压平台处理中。

1 工程概况

某水库坝体坝顶高程 3 088.0 m、坝高 13.0 m、坝轴线长 973.8 m，为土石坝。坝基地层共分为Qr软塑层、Q1软塑层和Ql硬塑土层3层(图1)。

图1 反压平台示意图

当坝体填筑面高程达到3 087.80 m时，坝体右坝肩附近坝体(0+585.0～0+910.5 m)发生向上游侧滑坡，并伴随出现多条拉伸和挤压裂缝。滑坡对左岸的影响范围约100.0 m，左岸紧邻坝段坝坡有拉伸裂缝延伸，对右岸的影响范围约50.0 m。

通过对滑坡段坝体及地基的情况探查，研究了造成滑坡的主要成因：

(1) 水库的地基条件极其复杂，坝址区软弱地层分布空间差异性极大，包括水平分布、埋深和层厚等多方面。

(2) 地基振冲碎石桩处理措施达到的深度范围内软流塑状淤泥质土力学性能改善有限。

(3) 下游反压平台长度及高度均大于上游侧反压平台，下游侧坝体及地基的抗滑稳定条件好于上游侧，因此坝体向上游侧滑动。

2 反压平台应用研究

本次边坡处理方案研究主要考虑坝上游反压平台的方案。

2.1 计算参数

对水库上游采用反压平台的方式处理时，计算参数见表1。此外，由于滑弧带目前还没有处理，因此在计算过程中还考虑了该滑带残余强度的影响，其强度为C=3.0 kPa，θ=0.0°。

表1 稳定计算相关参数

2.2 计算工况

计算工况如下表2所示：

表2 主要计算工况

2.3 坝体一次性填筑至3 088.0 m时反压平台处理方案

为了充分论证坝体上游侧采用反压平台处理方案时，坝体直接填筑至3 088.0 m上游边坡的稳定性。本次计算分析考虑了不同的反压平台规模：在现有反压平台的基础上(顶宽27.0 m、高程3 081.0 m)，反压平台高度分别增加1.0 m、1.5 m和2.0 m下，宽度分别增加5.0 m、10.0 m、15.0 m、20.0 m、25.0 m和30.0 m时上游边坡的抗滑稳定性安全系数(图2～图5)。

图2 施工期平台规模与边坡抗滑稳定性关系图(不考虑残余强度和裂缝影响)

图3 施工期平台规模与边坡抗滑稳定性关系图(考虑裂缝，不考虑残余强度影响)

图4 施工期平台规模与边坡抗滑稳定性关系图(考虑残余强度，不考虑裂缝影响)

图5 施工期平台规模与边坡抗滑稳定性关系图(考虑残余强度和裂缝影响)

从上述计算结果可以看出，如果在现有地基强度条件下，水库大坝直接加高至设计高程3 088.0 m，并采用反压平台来作为处理措施时，只考虑地基和坝体裂缝的影响时，平台需加高大于1.5 m、加宽大于25.0 m；或者加高大于2.0 m、加宽大于20.0 m，可以满足其上游坡抗滑稳定要求。若考虑滑带残余强度的影响，同时考虑地基和坝体裂缝的影响下，即使将反压平台的规模加高2.0 m、加宽30.0 m，此时施工期上游边坡的抗滑稳定系数才刚刚达到规范要求值1.21，安全裕度较很小，继续加大平台规模安全系数提高非常有限。考虑地震影响上述平台规模均不能满足规范要求。

可见，在现有的地基，尤其是滑带仍然存在且难以处理的条件下，直接按设计要求填筑至3 088.0 m，上游边坡的稳定性不满足规范要求。

2.4 坝体分步填筑时反压平台处理方案

考虑坝体分步填筑时，即先将坝体填筑至某一高程，水库开始控制水位运行，坝基经过一段时间的固结沉降后再根据地基情况继续填筑至原设计高程3 088.0 m。

2.4.1 第一步填筑方案

坝体第一步填筑为先填筑至3 086.5 m高程，下面将研究坝体填筑至该高程时上游边坡的处理方案。通过计算分析，施工期，不同上游反压平台规模下上游边坡抗滑稳定性计算结果如图6～图7和表3～表6所示。

表3 反压平台增高1.0m时不同增加宽度下的上游边坡抗滑稳定安全系数计算结果(不考虑残余强度)

表4 反压平台增高1.0m时不同增加宽度下的上游边坡抗滑稳定安全系数计算结果(考虑残余强度)

表5 反压平台增高1.5 m时不同增加宽度下的上游边坡抗滑稳定安全系数计算结果(不考虑残余强度)

表6 反压平台增高1.5 m时不同增加宽度下的上游边坡抗滑稳定安全系数计算结果(考虑残余强度)

图6 施工期不同反压平台规模下的上游边坡抗滑稳定性计算结果(不考虑残余强度)

图7 施工期不同反压平台规模下的上游边坡抗滑稳定性计算结果(考虑残余强度)

由计算结果可以看出：

(1) 在厚度增加保持1.0 m时，随着平台宽度的增加，坝体上游边坡在施工期、蓄水期(死水位、1/3坝高水位、正常蓄水位)、骤降期(正常蓄水位下降至死水位)以及地震等工况下为稳定性逐渐增加。

(2) 在厚度增加保持1.5 m时，随着平台宽度的增加，坝体上游边坡在各计算工况下的稳定性也逐渐增加。

(3) 在平台的宽度增加保持不变时，随着平台厚度的加高，坝体上游边坡的稳定性也逐渐增加。

综上所述，根据考虑残余强度下各工况的计算结果，若采用分步填筑的方式，推荐第一步填筑至3 086.5 m，此时所需上游反压平台增加宽度不小于20.0 m、厚度不小于1.0 m。

2.4.2 第二步填筑方案

水库在一次性加高坝体至3 086.5 m后，第二步填筑主要包括两种方案：根据地基固结情况，后期将坝体填筑至原设计高程(3 088.0 m)。下面将研究第二步填筑方案所需要满足的平台或地基条件。

根据计算分析，在现有地基条件下，采用反压平台方案，无论多大的平台规模，坝体加高至3 088.0 m(设计坝高)时，其上游边坡的稳定性仍然不满足规范的要求。为研究坝体加高到3 088.0 m所需地基软塑土层的固结度及强度指标，本项目还开展了一系列的坝体抗滑稳定性分析。

通过计算，坝基软塑土层在固结度达到85%时可采用相应的固结排水强度(CD)指标来分析坝体边坡的抗滑稳定性。此时地基土层Qr软塑层、Ql软塑层的强度指标如下表7所示，相应各工况下上游边坡的抗滑稳定安全系数计算结果如表8所示。

表7 坝体及地基固结后各材料相关计算参数

表8 反压平台方案下地基固结后加高至3 088.0 m时的上游边坡稳定性计算结果

从上述计算结果来看，水库在采用地基处理方案下，若想加高到3 088.0 m的设计高程需要地基满足一定的固结条件，否则在施工过程中仍然会发生上游边坡的失稳破坏。根据计算结果，坝体加高至3 086.5 m并蓄水运行后，若想进一步加高到3 088.0 m，需要满足地基软土的固结度大于85%。

基于此，综合治理方案可以将坝体填筑分为两个阶段：第一阶段填筑至3 086.5 m，在现有地基条件下，根据第一步填筑方案的计算分析结果，坝体上下游的坝坡抗滑稳定性是满足要求的，此时水库可蓄水运行；第二阶段，在坝体蓄水运行一段时间后，坝基软土得到一定程度的固结、抗剪强度指标得到一定提升时，再行填筑至3 088.0 m。根据计算结果，这种将坝体填筑分为两个阶段施工的综合治理方案，既能很好地满足坝顶高程3 086.5 m时的抗滑稳定性要求，也能很好地满足后期填筑到3 088.0 m时上游边坡的抗滑稳定性要求。

3 结论

坝体一次性填筑至3 088.0 m高程时，坝坡的抗滑稳定安全裕度较小，且不满足遭遇地震时的抗滑稳定安全要求。采用坝体分步填筑处理的方案时，首先将坝体填筑至3 086.5 m，此时坝体上下游的坝坡抗滑稳定性是满足要求的，然后，坝基需经过一段时间的固结沉降才能继续加高至3 088.0 m，该分步实施方案各种工况下的坝坡抗滑稳定安全才能满足要求。

综上，在深厚软基上筑坝时，反压平台法是一种有效的控制坝坡继续滑移的方法。但在实际应用中，应根据现有地基条件、坝基软土的固结程度、抗剪强度指标等进行反压平台应用方案的分析及选用。上述坝体分步填筑时，采取加宽加高反压平台进行处理后，坝体滑坡的治理是非常有效的。