镇压层法在软土地基堤防加固上的应用

彭常青，吴长江，贺金仁，张李萍

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

1 问题的提出

由于软土的含水率高、承载力低、物理力学指标差、灵敏度大，软土地基上的堤防往往出现堤顶裂缝、堤后隆起现象，这是由于堤防整体失稳引起的。而由于软土的灵敏度高，受扰动后抗剪强度急剧降低，甚至出现流塑现象，因此在堤防加固过程中，要慎重选择加固方案。特别是某些地基处理措施，不仅投资大，施工要求较高，运用不当还会增加施工期老堤的滑动风险，加剧堤防的滑动。镇压层法作为最古老的滑坡处理措施，不仅施工简单，质量可靠，在场地允许的范围内，投资往往也最节省。根据近年来对软土地基上失稳堤防的加固实践，以相对典型的浙江省东苕溪北塘和浦阳江下四湖某堤段为例，介绍镇压层法在堤防滑坡治理上的应用。

2 镇压层法的基本理论

镇压层的作用［1］:①镇压层的作用是起抗滑平衡作用，通过增加抗滑体的抗滑力矩来克服滑动体的滑动力矩，进而提高边坡的抗滑稳定安全系数;②在镇压层的竖向荷载作用下，使地基因加荷而受剪的应力状态得以改变，压制地基因荷载而出现的塑性挤出和地面隆起的趋势;③在镇压层的竖直荷载作用下，使软土地基产生部分固结，从而提高镇压层下的地基强度。

镇压层法的基本理论为土质边坡抗滑理论，堤防工程一般采用瑞典条分法计算边坡稳定安全系数，在不考虑空隙水压力情况下，其计算公式为:

式中:K为抗滑稳定安全系数;Wi为第i滑动土条的重力，kN;αi为第i滑动土条底滑面的倾角，°;li为第i滑动土条滑弧长度，m;ci为第i滑动土条底面的粘聚力，kPa;φi为第i滑动土条底面的内摩擦角，°。

定义经过滑动圆弧圆心的铅垂线为轴线，由图1可知，轴线左侧为主滑动区域，轴线右侧为阻滑体区域，根据公式当增大轴线与坡面交点f右侧区域的土体重量时，其抗滑力增大，滑动力减小(负值)，抗滑稳定安全系数提高。

设计镇压层尺寸时，其宽度和厚度均不能太小，否则起不到镇压的作用。根据经验:

镇压层宽度b=(2.0～3.0)H

式中:H为堤坝的高度，m。

此外，镇压层的厚度还应小于软土地基上的极限填筑高度，以免由于压载超出地基土的极限承载力，产生新的剪切破坏［2］。

式中:Cu为软土不排水剪的凝聚力，kPa;γ为填土的容重，kN/m3。

镇压层的具体尺寸需根据堤身的高度，地基软土的物理力学指标，通过堤身整体抗滑稳定分析确定。

3 东苕溪北塘某堤段工程

3.1 堤防基本情况

该堤段总长约2.10km，根据流域规划该段控制堤距为90.00m，上游0.70km(桩号0+000～0+700m)河段现状堤距约400.00～100.00m，满足规划要求，下游1.40km(桩号0+700～2+100m)河段现状堤距约60.00～80.00m，需进行退堤，最大退堤幅度30.00m。

地质勘探揭示地层从上至下依次为:Ⅰ层粉质黏土，厚度4.90～6.10m，含水率ω=15.2% ～28.4%，孔隙比e=0.571～0.930，为堤身填筑土;Ⅱ层粉质黏土，厚度0.00～4.00m，含水率ω=24.0% ～32.5%，孔隙比e=0.766～0.927，堤防沿线均有分布，为地表硬壳层，但由于老堤在历次填筑过程中，直接在堤后取土，因此堤后现状有连片的鱼塘，在鱼塘内该层缺失;Ⅲ层淤泥质黏土，厚度4.00～8.00m，在鱼塘、水田处直接揭露，含水率 ω=34.9% ～57.1%，孔隙比e=1.016～1.734，物理力学性质相对较差，是堤身稳定的控制性土层;Ⅳ层黏土，揭露最大厚度13.25m，含水率ω=19.7%～31.7%，孔隙比e=0.594～0.896。各主要土层物理力学指标建议值见表1。

堤防设计断面 (见图2):堤身高度约8.50m，堤顶高程9.00m，顶宽6.00m，迎水侧、背水侧坡比均为1∶2.5，背水坡高程4.00m处设6.00m宽防汛道路。

表1 北塘某堤段物理力学指标建议值表

图2 东苕溪北塘某堤防断面图 单位:cm

3.2 堤防存在的问题及分析

工程于2010年10月开工，施工单位开始堤身土方及镇压平台填筑，2011年01月15日施工过程中，桩号1+940～2+070m段，长约130.00m堤顶出现裂缝，背水坡防汛道路、镇压平台出现隆起现象;2011年03月01日桩号0+810～1+395m段约585.00m，2011年03月07日桩号0+940～1+020m段约80.00m相继出现了类似问题。

由于初步设计阶段鱼塘段未布孔，地质勘探揭示淤泥质黏土厚仅为2.00～3.00m，考虑清表后淤泥质黏土层厚只有0.50～1.50m。施工过程中对滑坡段补堪后发现，鱼塘内淤泥质黏土层厚度达4.00～8.00m，且该层为流塑、高压缩性软土，对该段进行整体稳定分析后发现其抗滑稳定安全系数仅0.91～0.98，堤防处于失稳状态，计算滑弧与现场滑动面基本吻合。

3.3 加固处理设计

该段堤防出现堤后隆起、堤顶裂缝现象实际上是堤防整体失稳，本质是堤身新填筑土重量超出了堤基淤泥质黏土的承载力，导致土体发生剪切破坏。为此设计单位提出了如下处理方案:

(1)堤后塘渣镇压。在堤脚防汛道路隆起处加宽、加厚镇压平台，通过加载反压增加堤防的抗滑力。该方案的优点是施工简单，质量有保证，见效快;缺点是需新增部分占地。

(2)排水固结法。借鉴海堤地基处理经验，在堤脚防汛道路处设塑料排水板或砂井等竖向排水井，然后在背水坡镇压平台上分级加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固接，土体强度逐步提高。该方案的优点是经加固后土体可固结70%～80%以上，土体抗剪强度指标提升幅度较大，且不需要额外占地。缺点是从施工到土体固接完成需要的时间较长，另外为满足堤后加载需要，背水坡防汛道路处客观上也需额外增加镇压平台。

(3)地基处理法。在背水坡防汛道路处设4排间距、排距均为100cm的D60水泥搅拌桩，通过水泥与土的物理化学反应后，使堤基淤泥质黏土的性能发生变化。该方案的优点是经搅拌桩加固后的堤基物理力学指标显著提高。缺点是由于堤基淤泥质黏土灵敏度高，在搅拌桩施工过程中可能对土体产生扰动，土的抗剪强度显著降低，诱导滑坡进一步加剧，且从施工完毕至发挥设计强度一般需要90d左右，时间相对较长。

综合考虑施工速度、质量控制和投资，且堤后现状均为鱼塘，政策处理也相对较容易，此次采用了镇压法进行加固处理。经计算将原设计镇压平台整体抬高1.50m，宽度增加到12.00m后见图2，其整体稳定安全系数提高至1.12～1.29，满足规范要求，且略有余度。目前该段已经施工完毕，此后均未发生新的滑动，镇压效果较好。

4 浦阳江下四湖某堤段工程

4.1 堤防基本情况

该堤段总长约1.00km(桩号0+000～1+000m)，地质勘探揭示地层从上至下依次为:Ⅰ0层人工填筑碎石土，碎石粒径以6.00～10.00cm为主，厚度约2.00～3.50m，为背水坡镇压平台填筑料;Ⅰ1层人工填筑粉质黏土，厚度为5.20～7.70m，含水率=22.1% ～38.2%，孔隙比0.677～1.057，为堤身填筑土;Ⅱ2层黏质粉土，厚度约为1.90～3.30m，含水率 =24.2% ～35.0%，孔隙比 0.720～1.003，为地基硬壳层，迎水面该层缺失;Ⅲ层淤泥质粉质黏土，软塑～流塑，厚度为14.10～17.30m，含水率=30.8% ～47.8%，孔隙比1.007～1.358，该层物理力学指标低，是堤防稳定的控制性土层;Ⅳ1层黏质粉土，厚度约为1.60～2.70m，含水率=29.4% ～37.2%，孔隙比0.885～1.066;Ⅶ层含泥砂砾石，松散～稍密，该层未揭穿。各主要土层物理力学指标建议值见表2。

堤防断面尺寸 (见图3):堤防高度约12.00m，为斜坡式土堤结构，堤顶高程12.00m，堤顶宽约5.00m，迎水面坡比约1∶1.7，背水坡高程约8.00m处有5.00～6.00m宽镇压平台，镇压平台以上坡比1∶2，平台以下为干砌石矮挡墙，背水坡地面高程5.00～7.00m。

表2 下四湖某堤段物理力学指标建议值表

图3 浦阳江下四湖某堤防断面图 单位:cm

4.2 堤防存在的问题及分析

2012年11 月上游段 (桩号0+154～0+448m)294m堤顶出现了2cm左右贯通性裂缝，至2013年11月堤顶裂缝基本全线贯通，宽度2～5cm。对该段进行整体稳定分析后发现其抗滑稳定安全系数仅0.82～0.99，堤防处于失稳状态，计算滑弧入口位置与堤顶开裂位置基本重合。设计单位对堤防滑动的原因有3点:

(1)迎水坡堤脚掏空和堤基深厚软土层是堤防失稳的内因。该河段为浦阳江险工段之一，江道顺直、狭窄，堤脚冲刷较严重，深泓逼岸，目前该段堤脚已无滩地保护;堤防对岸为驳船码头，每天过往船只频繁，河道水面宽度不足100m，船行波的作用加快了堤脚的淘刷。

(2)堤顶重型车辆的通行是堤防失稳的外因。堤防所在地附近工地较多，堤顶为其主要的交通道路之一，每天20t以上的重车频繁通过，加大了堤防的滑动荷载。

(3)迎水面堤防较陡也是堤防滑动的重要原因之一。现状迎水面坡度仅1∶1.7，且堤身土方填筑也较松散，坡面失稳的可能性也较大。

4.3 加固处理设计

根据堤防滑动的成因分析，该段堤防不仅要解决堤防整体稳定、坡面局部稳定，还需要解决堤脚防冲问题。而由于背水面现状稳定且完好，因此在迎水面加固比较经济合理。设计阶段对镇压法、地基处理法、灌注桩抗滑等进行过经济技术比较。考虑到塘渣镇压具有施工简单，投资省，见效快，施工质量也容易控制，本次选用了镇压层法进行加固。

加固后的方案 (见图3)。在堤脚高程5.0m(现状河水位4.5m)处设9.8m宽塘平台，其中内侧塘渣宽6.8m，外侧抛石3.0m，坡面结合减载将坡度放缓至1∶2.5，堤顶设2.0m高混凝土防洪墙，同时要求限制堤顶重车通行。经计算其整体稳定安全系数达1.19，满足规范要求，且略有余度。目前该段也已经施工完毕，施工后堤防未出现过滑动，镇压效果较好。

5 结语

(1)采用镇压层法处理软土地基上堤防的稳定问题，施工简单方便，且不需要特殊的施工机具，施工质量容易控制，镇压效果显著;用于镇压的填料可就地取材;位于背水坡的镇压平台不仅能起到压渗作用，又在洪水期间可作护堤抢险的工作场地。

(2)镇压法增大了地基的沉降量，因此对于土堤、土坝等可以承受较大沉降量的柔性建筑物运用比较合适，对变形敏感的混凝土或砌石挡墙堤防或附近有房屋的场地而言，不宜采用。

(3)镇压平台填筑时需控制施工速度，大量工程经验表明，由于填土速度过快，地基强度降低的幅度可达10%～20%左右，施工过程中产生深层滑动的可能性较大。

［1］俞仲泉.水工建筑物软基处理［M］.北京:利电力出版社，1989.

［2］中华人民共和国水利部.GB 50286—2013堤防工程设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2013.