北沙河堤防裂缝与塌陷对堤防安全影响分析_沈碧哲.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督标准化与质量监督DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.002北沙河堤防裂缝与塌陷对堤防安全影响分析沈碧哲(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110007)摘要:对堤防两侧进行了地质调查、坑探、现场渗水试验等工作;采用了高密度电法探测堤基范围内是否有较大空洞、空隙存在，分析评价了地裂缝、塌陷对堤防安全的影响。调查研究发现:本段堤防分布多处不同规模的裂缝及塌陷，并造成了不同程度的破坏，若汛期水位变高，渗透破坏范围继续扩大，该段堤防存在极大的溃堤风险。以多种手段分析裂缝特性，创新性对裂缝分类统计，为堤防治理提供了重要的参考依据。关键词:堤防;裂缝;塌陷中图分类号:TV85文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0004-03收稿日期:2022-09-09作者简介:沈碧哲(1988 年)，男，工程师。E-mail:807497964 产生裂缝对堤防的安全有极大影响，伴随雨水入渗，裂缝将继续扩大，甚至于造成大堤的崩塌;这种情况，在汛期或发生大洪水时，伴随着土体自身强度下降，裂缝对堤防的稳定性影响将会更大，后果难以估计。由此可见，在分析裂缝的形成原因的基础上，有效的防治对策对存在裂缝的堤防至关重要。1工程概况目前北小河堤顶宽 2.5 4m，堤高一般 4 5m，堤底宽约 30m，堤防背水坡坡度为 1 1.5 12.5，迎水坡坡度为 12.5 13.5，堤身主要组成为黏性土、粉土及中砂，堤基从上至下分别为粉土、黏性土、中砂。2017 年 4 月，在巡视中发现:迎水面、堤顶以及堤脚外 30m 范围内的防护林内有多处不同规模的裂缝和塌陷。当时采取了表部挖填、覆盖防渗膜等应急处理方式，汛期未发生较大规模的险情。2018 年 4 月，发现裂缝、塌陷发展迅速，远较上一年严重。堤防左右岸均存在裂缝，长度分别为5.2km 和 5.5km，合计 10.7km。在裂缝附近的防渗措施大多失效，部分裂缝处伴有塌陷，受裂缝影响防渗膜也多被拉裂。北小河出现裂缝的堤防主要集中在沈半线桥下至小东山堡村段，该段两岸有较广的耕地、较密集的人口，且该区域内有多条重要交通线路经过。为确保人民生命财产安全，在汛期前应及时处理裂缝与塌陷问题。2现场情况调查与勘测2.1地面调查情况本段堤防总长度约 10.7km，其中，约 7.8km分布裂缝及塌陷。裂缝与塌陷(坑)主要发现于堤身、堤外树林中，与堤脚距离多小于 50m，局部地面表现为串珠状塌坑。裂缝与塌陷(塌陷按其长边方向与堤线的关系)走向以平行(纵向)和垂直(横向)于堤防走向为主，局部与堤防走向斜交。调查点编号原则:裂缝断续分布，但在一条直线上的，按1 处计;塌陷(坑)呈串珠状的，按1 处计;部分裂缝相交或与相邻裂缝、塌陷(坑)很近的，按 1 处计;相对距离较远的、独立的裂缝或塌陷(坑)，单独按1 处计。按上述方法和统计，本次工作共发现 250 处裂缝与塌陷，最大可视深度约1.6m，其中塌陷(坑)的最大宽度约 2.3m，裂缝最大长宽分别为 113m 和1.6m。裂缝与沉降现象在附近村镇中也有出现。2.1.1右岸地裂缝分布与基本特征右岸堤防裂缝与塌陷(坑)分5 种情况统计，其中:4标准化与质量监督水利技术监督2023 年第 2 期(1)右岸堤内公路裂缝。发现裂缝43 条，长度一般为 7m，裂缝最大宽度 3cm。多与路走向垂直。(2)右岸堤防贯穿性横向裂缝。发现贯穿性横向裂缝 37 条，主要在临水坡堤身、堤外防护林内发现。地面可见最大长度约 20m，最大宽度 1.5m，最大深度 0.9m。(3)右岸堤外横向裂缝。发现横向裂缝 28 条，塌陷(坑)8 处，主要在临水坡堤外防护林内发现。裂缝地面可见最大长度约 18m，最大宽度 1.5m，最大深度 0.9m;塌陷(坑)可见最大长度约 5m，最大宽度 2m，最大深度 1.6m。(4)右岸纵向裂缝。发现纵向裂缝 45 条(堤外44 条，堤内 1 条)，塌陷(坑)8 处，主要在临水坡堤外防护林内发现。裂缝地面可见最大长度约83m，最大宽度 0.9m，最大深度 1.1m;塌陷(坑)最大可见长度约 2.2m，最大宽度 0.7m，最大深度 0.7m。(5)右岸堤外发现斜向裂缝 3 条，地面可见最大长度 14m，最大宽度 0.4m，最大深度 0.7m。2.1.2左岸地裂缝分布与基本特征左岸堤防裂缝与塌陷(坑)分4 种情况统计，其中:(1)左岸堤防贯穿性横向裂缝、塌陷。发现贯穿性横向裂缝 20 条，塌陷(坑)4 处，主要在临水坡堤身、堤外防护林内发现，背水坡一侧仅局部发现。地面可见最大长度约 25m，最大宽度 1.1m，最大深度 1.3m。塌陷(坑)最大长度约 2m，最大宽度 2m，最大深度 1.3m。(2)左岸横向裂缝、塌陷。发现横向裂缝 26条，塌陷(坑)12 处，主要在临水坡堤外防护林内发现。裂缝地面可见最大长度约 30m，最大宽度1.6m，最大深度 1.5m;塌陷(坑)最大长度约3.5m，最大宽度 1.8m，最大深度 1.6m。堤身还发现两处獾子洞，宽 0.2 0.3m，进深分别为 1.4m和 2.4m。(3)左岸纵向裂缝、塌陷.发现纵向裂缝 23 条(堤外 20 条，堤内 3 条)，塌陷(坑)3 处，主要发现在临水坡堤外防护林内。裂缝地面可见最大长度约 113m，最大宽度 1.0m，最大深度 0.9m;塌陷(坑)最 大 长 度 约 2m，最 大 宽 度 2m，最 大 深度 1.2m。(4)现斜向裂缝12 条，主要在临水坡堤外防护林内发 现。地 面 可 见 最 大 长 度 8m，最 大 宽 度0.7m，最大深度 0.6m。2.2物探2.2.1采煤边界探测本次工作采用大地电磁法(EH4)对某矿开采区的采煤边界进行了物探复核。探测结果表明，物探测得的采区边界与矿区提供的采煤边界基本吻合。2.2.2堤防附近裂缝塌陷探测本次工作采用高密度电法，对堤防迎水面堤脚附近地面下 30m 范围内进行探测，根据物探成果，地下水位以上(6m)范围内，未发现明显闭合圆形态的点状高电阻率异常，推测地下水位以上(6m)测线范围内地下无大范围塌空、空隙区;地下水位以下(6 30m)，全部处于覆盖层内(100m)，由于受到地下水的影响，不同岩性土层的电阻率差异不大，对电阻率值相对较高和较低位置分别进行了打钻验证，结果表明其电阻率差异主要由上层粉质黏土(0 10m)的导电性差异引起，未发现明显空洞、空隙区。建议对高密度电法测线地下水位以下部分(6 30m)，结合地质资料和塌陷、塌空机理进行综合分析。2.3坑探与钻探2.3.1坑探本次工作在堤外距离堤脚 30m 范围内布置探槽 12 条，探槽长度 3 9m，宽度 0.6 1.5m，深度 1.1 2.6m。成果表明:(1)堤脚地裂缝向下发现深度一般 1 2.5m，缝宽自上而下逐渐变窄直至消失(肉眼不可辨)，除地表调查的深度内无充填外，向下多有充填，充填物多为地表干土。(2)堤脚独立塌陷(坑)和串珠状分布的塌陷(坑)多发现在表层厚 0.5 1.0m 的粉土层中，下部多为硬塑 可塑的粉质黏土层，层中未见明显塌陷现象，串珠状塌陷(坑)之间亦未见明显的连通裂缝。局部塌陷(坑)处，地表以下 0.7 1.0m 深度范围内有层状塌落形成的空腔(空腔上部岩性为灰黑色粉质黏土)。可见塌陷(坑)的影响深度范围一般在 1m 左右。2.3.2钻探本次工作布置钻探孔 2 个，钻孔位置按高密度电法确定的堤脚下堤基高阻异常区和低阻区布置。钻探成果表明:(1)堤基地层岩性主要为表层约 1m 厚粉土层、52023 年第 2 期水利技术监督标准化与质量监督下部其余细粒土层主要为黄褐色 灰色可塑状粉质黏土、灰色软塑状粉质黏土。细粒土层下部主要为密实状的中砂层，其厚度一般大于 5m，砂中多夹有黏性土薄层。(2)工程区地下水位埋深在 6 7m，为承压水，含水层为中砂层。(3)物探指示的异常电阻区在地表 2.5 6m 深度内未见明显的裂缝、塌陷(坑)痕迹以及明显的松散土层。2.4现场渗水试验现场在堤身、堤脚的裂隙和塌陷处进行渗水试验。试验表明:(1)被松散细粒土充填的裂隙、塌陷(坑)在浸水条件下，渗透性有逐渐变大和充填的土体颗粒有被带走并产生持续塌陷的现象。(2)被细粒土充填的裂隙、塌陷(坑)在浸水条件下，渗透性变大现象不明显，同时在水流渗流作用下塌陷现象不明显。总体来看，堤身的裂缝、塌陷(坑)充填物更松散，深度大时，在水流渗流作用下极易发生渗流破坏;堤脚被充填的裂缝由于堤基土体本身压力和可塑状土的自密作用，其下部充填土在密实性上较好，在水流作用下一般不致发生渗流破坏。3对堤防安全影响分析3.1裂缝与塌陷对堤身的影响堤身裂缝以横向为主，裂缝两侧土体多呈松散状态。汛期时，受流水冲刷影响，裂缝加大的同时，流水逐渐冲毁堤防，对堤身产生不利影响。塌陷是有空洞的堤身或堤基内土体继续塌落厚形成，在汛期时，对渗透破坏产生不利影响，若形成水流管道长久发展，堤防有冲毁风险。3.2裂缝与塌陷对堤基的影响堤基周围裂缝的两侧土体以较松散状态为主，汛期时，裂缝中流水加快，更易冲刷破坏，在水流持续不断冲刷作用下，裂缝宽度不断加大，任其发展会产生堤身塌陷，随着堤防水位变高，堤防稳定性极低，有溃堤风险。在堤脚部位的纵向裂缝和塌陷，汛期时，堤基顺裂缝渗透破坏极易发生，任其发展则长条形塌陷大概率出现在堤脚处，若堤内水位高，堤防呈长段状溃堤的风险极大。3.3裂隙与塌陷的分类及应急处理建议根据上述堤防裂缝和塌陷的特征及对堤防工程的影响，为保证堤防安全度汛，对裂缝和塌陷提出如下分类原则和不同应急处理建议。A 类:未被细粒土充填的贯穿堤防的裂隙，建议进行钻孔灌注黏土浆液或铺盖防渗膜;堤身两处獾子洞建议一并处理。B 类:堤身、堤脚外发现深度较大、严重危害堤身(或堤基)安全稳定的裂缝，建议开挖一定深度后用黏性土进行回填压实处理，处理深度 1.5 2.0m，同时建议根据开挖鉴定的现场裂缝延伸情况进行适当延伸。C 类:堤身塌痕不明显、堤脚外发现深度较小，对堤身(或堤基)安全稳定影响相对较小的裂缝，建议进行开挖回填黏性土压实处理，处理深度按 1.0m 考虑。D 类:公路路面裂缝、经回填压实处理后未重新发展的地裂缝、距离堤脚较远的地裂缝，建议加强变形观测，暂不进行处理。经分类统计，本次防洪应急度汛建议进行处理的裂缝、塌陷(坑)数量见表 1。表 1建议汛前信息统计表处理措施类型数量统计累计长度最大可见深度A 类裂缝 1 条塌陷 3 处裂缝 42m塌陷 80.4m1.5mB 类裂缝 71 条塌陷 15 处裂缝 1048m塌陷 22m1.6mC 类裂缝 115 条塌陷 20 处裂缝 1411m塌陷 28m0.8m4结语本文依托北沙河安全评价实例，通过多种手段，对某堤防的安全性进行了分析，根据本工程情况提出分类标准，针对性提出处理不同类型裂缝方案，取得了较为理想的效果。对于不同的堤防安全性分析及针对性防护具有借鉴意义。但仍有如下不足需要优化:(1)不同工程情况多有差异，需进一步对比各个因素对分类标准的影响权重，在日后工作中可结合大量类似工程数据进行修正，把分类标准与工程实际密切结合。以便更好地解决堤防裂缝与塌陷对堤防安全影响分析问题。制定更为合适的防治对策。(下转第 29 页)6检验检测水利技术监督2023 年第 2 期土的质量损失率、抗压强度损失率、抗折强度损失率和相对动弹模量的变化不大，当复掺率小于40%时的变化相对较大。另一方面，当复掺率为 40%时，混凝土的质量损失率低于单掺最佳方案，相对动弹模量高于单掺最佳方案，抗压强度损失率和抗折强度损失率虽然略大于单掺最佳方案，但是差别较小。由此可见，采用复掺比为 40%的方案即可获得与单掺最佳方案相似的抗硫酸盐侵蚀性能提升效果。另一方面，采用较高的复掺比不仅有助于改善抗硫酸盐侵蚀性能，同时还可以通过矿物掺合料的用量的增加，进一步降低工程成本。由此可见，复掺方案与单掺方案相比具有一定的工程和经济性优势，原因是复掺方案可以充分