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,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)的簡單迭加,而是相互作用、相互影響的有機(jī)整體。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:單元(或稱元素)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)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
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IL=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)IL較大(>0.5)外,一般IL<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。
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,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)的簡單迭加,而是相互作用、相互影響的有機(jī)整體。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:單元(或稱元素)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)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
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IL=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)IL較大(>0.5)外,一般IL<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。