馬正逵，秦煜杰，楊豐銘

昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093)

軟土地基工程性質較差，在軟基上筑壩難度較大，施工過程中壩體可能會出現不同程度的滑坡、裂縫等問題。當壩體出現裂縫、滑坡，應采取相應的有效措施處理[2]。國內眾多學者對此進行了大量研究和實踐，孫彥東[3]結合一期尾礦壩的建設技術闡述了軟基土石壩的施工技術在建設工程上的探索與實踐應用情況;張程等[4]對塑料排水板處理后的深厚淤泥質軟土地基在筑壩過程中的固結變形行為進行了研究;李曉平等[5]采用理論計算和離心模型試驗相結合的方法，論證了采用分期、分段預壓的設計和施工筑壩技術的可行性。然而，在軟基筑壩中反壓平臺法是一種施工簡單方便、見效快、就地取材的處理方法[6]，即在土石堤壩兩側用土、砂、砂礫石、石渣等在軟土上填筑鎮(zhèn)壓臺，形成反壓荷載[7]。反壓平臺法很大程度減少了工程造價，縮短了工期。

本文在考慮了施工工況、殘余強度和裂縫等因素下，計算了反壓平臺不同規(guī)模對壩體一次性填筑和分步填筑時壩體抗滑穩(wěn)定性的影響。為該項目提供參考，其研究成果可推廣應用到其他反壓平臺處理中。

1 工程概況

某水庫壩體壩頂高程 3 088.0 m、壩高 13.0 m、壩軸線長 973.8 m，為土石壩。壩基地層共分為Qr軟塑層、Q1軟塑層和Ql硬塑土層3層(圖1)。

圖1 反壓平臺示意圖

當壩體填筑面高程達到3 087.80 m時，壩體右壩肩附近壩體(0+585.0～0+910.5 m)發(fā)生向上游側滑坡，并伴隨出現多條拉伸和擠壓裂縫。滑坡對左岸的影響范圍約100.0 m，左岸緊鄰壩段壩坡有拉伸裂縫延伸，對右岸的影響范圍約50.0 m。

通過對滑坡段壩體及地基的情況探查，研究了造成滑坡的主要成因：

(1) 水庫的地基條件極其復雜，壩址區(qū)軟弱地層分布空間差異性極大，包括水平分布、埋深和層厚等多方面。

(2) 地基振沖碎石樁處理措施達到的深度范圍內軟流塑狀淤泥質土力學性能改善有限。

(3) 下游反壓平臺長度及高度均大于上游側反壓平臺，下游側壩體及地基的抗滑穩(wěn)定條件好于上游側，因此壩體向上游側滑動。

2 反壓平臺應用研究

本次邊坡處理方案研究主要考慮壩上游反壓平臺的方案。

2.1 計算參數

對水庫上游采用反壓平臺的方式處理時，計算參數見表1。此外，由于滑弧帶目前還沒有處理，因此在計算過程中還考慮了該滑帶殘余強度的影響，其強度為C=3.0 kPa，θ=0.0°。

表1 穩(wěn)定計算相關參數

2.2 計算工況

計算工況如下表2所示：

表2 主要計算工況

2.3 壩體一次性填筑至3 088.0 m時反壓平臺處理方案

為了充分論證壩體上游側采用反壓平臺處理方案時，壩體直接填筑至3 088.0 m上游邊坡的穩(wěn)定性。本次計算分析考慮了不同的反壓平臺規(guī)模：在現有反壓平臺的基礎上(頂寬27.0 m、高程3 081.0 m)，反壓平臺高度分別增加1.0 m、1.5 m和2.0 m下，寬度分別增加5.0 m、10.0 m、15.0 m、20.0 m、25.0 m和30.0 m時上游邊坡的抗滑穩(wěn)定性安全系數(圖2～圖5)。

圖2 施工期平臺規(guī)模與邊坡抗滑穩(wěn)定性關系圖(不考慮殘余強度和裂縫影響)

圖3 施工期平臺規(guī)模與邊坡抗滑穩(wěn)定性關系圖(考慮裂縫，不考慮殘余強度影響)

圖4 施工期平臺規(guī)模與邊坡抗滑穩(wěn)定性關系圖(考慮殘余強度，不考慮裂縫影響)

圖5 施工期平臺規(guī)模與邊坡抗滑穩(wěn)定性關系圖(考慮殘余強度和裂縫影響)

從上述計算結果可以看出，如果在現有地基強度條件下，水庫大壩直接加高至設計高程3 088.0 m，并采用反壓平臺來作為處理措施時，只考慮地基和壩體裂縫的影響時，平臺需加高大于1.5 m、加寬大于25.0 m；或者加高大于2.0 m、加寬大于20.0 m，可以滿足其上游坡抗滑穩(wěn)定要求。若考慮滑帶殘余強度的影響，同時考慮地基和壩體裂縫的影響下，即使將反壓平臺的規(guī)模加高2.0 m、加寬30.0 m，此時施工期上游邊坡的抗滑穩(wěn)定系數才剛剛達到規(guī)范要求值1.21，安全裕度較很小，繼續(xù)加大平臺規(guī)模安全系數提高非常有限?？紤]地震影響上述平臺規(guī)模均不能滿足規(guī)范要求。

可見，在現有的地基，尤其是滑帶仍然存在且難以處理的條件下，直接按設計要求填筑至3 088.0 m，上游邊坡的穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。

2.4 壩體分步填筑時反壓平臺處理方案

考慮壩體分步填筑時，即先將壩體填筑至某一高程，水庫開始控制水位運行，壩基經過一段時間的固結沉降后再根據地基情況繼續(xù)填筑至原設計高程3 088.0 m。

2.4.1 第一步填筑方案

壩體第一步填筑為先填筑至3 086.5 m高程，下面將研究壩體填筑至該高程時上游邊坡的處理方案。通過計算分析，施工期，不同上游反壓平臺規(guī)模下上游邊坡抗滑穩(wěn)定性計算結果如圖6～圖7和表3～表6所示。

表3 反壓平臺增高1.0m時不同增加寬度下的上游邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數計算結果(不考慮殘余強度)

表4 反壓平臺增高1.0m時不同增加寬度下的上游邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數計算結果(考慮殘余強度)

表5 反壓平臺增高1.5 m時不同增加寬度下的上游邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數計算結果(不考慮殘余強度)

表6 反壓平臺增高1.5 m時不同增加寬度下的上游邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數計算結果(考慮殘余強度)

圖6 施工期不同反壓平臺規(guī)模下的上游邊坡抗滑穩(wěn)定性計算結果(不考慮殘余強度)

圖7 施工期不同反壓平臺規(guī)模下的上游邊坡抗滑穩(wěn)定性計算結果(考慮殘余強度)

由計算結果可以看出：

(1) 在厚度增加保持1.0 m時，隨著平臺寬度的增加，壩體上游邊坡在施工期、蓄水期(死水位、1/3壩高水位、正常蓄水位)、驟降期(正常蓄水位下降至死水位)以及地震等工況下為穩(wěn)定性逐漸增加。

(2) 在厚度增加保持1.5 m時，隨著平臺寬度的增加，壩體上游邊坡在各計算工況下的穩(wěn)定性也逐漸增加。

(3) 在平臺的寬度增加保持不變時，隨著平臺厚度的加高，壩體上游邊坡的穩(wěn)定性也逐漸增加。

綜上所述，根據考慮殘余強度下各工況的計算結果，若采用分步填筑的方式，推薦第一步填筑至3 086.5 m，此時所需上游反壓平臺增加寬度不小于20.0 m、厚度不小于1.0 m。

2.4.2 第二步填筑方案

水庫在一次性加高壩體至3 086.5 m后，第二步填筑主要包括兩種方案：根據地基固結情況，后期將壩體填筑至原設計高程(3 088.0 m)。下面將研究第二步填筑方案所需要滿足的平臺或地基條件。

根據計算分析，在現有地基條件下，采用反壓平臺方案，無論多大的平臺規(guī)模，壩體加高至3 088.0 m(設計壩高)時，其上游邊坡的穩(wěn)定性仍然不滿足規(guī)范的要求。為研究壩體加高到3 088.0 m所需地基軟塑土層的固結度及強度指標，本項目還開展了一系列的壩體抗滑穩(wěn)定性分析。

通過計算，壩基軟塑土層在固結度達到85%時可采用相應的固結排水強度(CD)指標來分析壩體邊坡的抗滑穩(wěn)定性。此時地基土層Qr軟塑層、Ql軟塑層的強度指標如下表7所示，相應各工況下上游邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數計算結果如表8所示。

表7 壩體及地基固結后各材料相關計算參數

表8 反壓平臺方案下地基固結后加高至3 088.0 m時的上游邊坡穩(wěn)定性計算結果

從上述計算結果來看，水庫在采用地基處理方案下，若想加高到3 088.0 m的設計高程需要地基滿足一定的固結條件，否則在施工過程中仍然會發(fā)生上游邊坡的失穩(wěn)破壞。根據計算結果，壩體加高至3 086.5 m并蓄水運行后，若想進一步加高到3 088.0 m，需要滿足地基軟土的固結度大于85%。

基于此，綜合治理方案可以將壩體填筑分為兩個階段：第一階段填筑至3 086.5 m，在現有地基條件下，根據第一步填筑方案的計算分析結果，壩體上下游的壩坡抗滑穩(wěn)定性是滿足要求的，此時水庫可蓄水運行；第二階段，在壩體蓄水運行一段時間后，壩基軟土得到一定程度的固結、抗剪強度指標得到一定提升時，再行填筑至3 088.0 m。根據計算結果，這種將壩體填筑分為兩個階段施工的綜合治理方案，既能很好地滿足壩頂高程3 086.5 m時的抗滑穩(wěn)定性要求，也能很好地滿足后期填筑到3 088.0 m時上游邊坡的抗滑穩(wěn)定性要求。

3 結論

壩體一次性填筑至3 088.0 m高程時，壩坡的抗滑穩(wěn)定安全裕度較小，且不滿足遭遇地震時的抗滑穩(wěn)定安全要求。采用壩體分步填筑處理的方案時，首先將壩體填筑至3 086.5 m，此時壩體上下游的壩坡抗滑穩(wěn)定性是滿足要求的，然后，壩基需經過一段時間的固結沉降才能繼續(xù)加高至3 088.0 m，該分步實施方案各種工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定安全才能滿足要求。

綜上，在深厚軟基上筑壩時，反壓平臺法是一種有效的控制壩坡繼續(xù)滑移的方法。但在實際應用中，應根據現有地基條件、壩基軟土的固結程度、抗剪強度指標等進行反壓平臺應用方案的分析及選用。上述壩體分步填筑時，采取加寬加高反壓平臺進行處理后，壩體滑坡的治理是非常有效的。