三峡库区消落带淤泥质土上施工平台填筑方案优化及稳定性分析

王小华 姚劲松 黄帅 任毕云 丁高俊 杨云杰

摘要：三峡库区消落带重庆万州密溪沟至长江四桥综合整治工程穿越回淤严重软土区，拟选取振冲碎石桩法对天然软基进行处理，但在淤泥质土上填筑施工平台成为工程控制性条件。对淤积层力学特性、平台填筑高度以及地基处理区域特征进行分析，提出平台填筑优化方案，优先对满足极限填筑高度区域进行地基处理，其他区域采取插塑料排水板+抛（铺）碎石垫层预固结，平台前缘抛填块石压脚。选取两个典型地质断面，对平台抗滑稳定性进行了计算分析，计算结果证明了优化方案的可行性。

关键词：消落带;振冲碎石桩法;软弱地基;施工平台填筑;抗滑稳定;三峡库区

中图法分类号：TU43 文献标志码：A DOI：10.15974/i.cnki.slsdkb.2020.04.007

1研究背景

三峡库区消落带重庆万州密溪沟至长江四桥综合整治工程由滑坡治理、库岸整治和滨江路填筑等三大部分组成，工程的实施可显著改善沿线交通和人居环境。

工程区原始地形在库区蓄水后形成了局部回淤湾，十多年来形成的淤积层最大厚度超过10m，拟通过地基处理提高其承载力，以满足路堤填方设计要求。

软基处理有多种工程措施。结合长期实践，诸多学者及工程人员开展了针对性研究。冯伟从加固原理、加固深度、加固效果及经济效益等方面对山区高速公路软土地基处理工程措施进行了较系统的分析论述。碎石桩用于软基加固可以较好地改善地基的排水状态、加速地基固结以及降低工后沉降，还可提高地基的抗震性，在复合地基变形协调方面也具有一定优势。水泥搅拌桩在软土地基处理也较为常见，其施工周期较短，无挤土效应，但对于加速地基固结影响较小。粉煤灰桩、预应力管桩、塑料排水板等措施也是软土地基处理的常用技术手段。在软基上开展工程填筑工程时，土工合成材料的合理使用有助于地基应力变形的整体协调，作为辅助手段，也可增强填筑体一天然地基的整体协同作用;对于具有季节性浸水特性软土的地基處理，还需注意对地基一填方整体排水性的改善，保障其长期稳定。

对于该工程，除通过工程措施提高地基承载力外，还须考虑填方体受库区水位周期性调蓄的影响，改善填筑体一复合地基渗流条件，并尽可能在施工期加速地基的固结。基于此需求，提出了采用振冲碎石桩处理软基的方案。在新近淤积软土上填筑并形成稳定的施工平台成为工程实施重要的前置性控制条件，且须对平台填筑稳定性进行分析并提出建议。

2工程背景及地质概况

工程区地形及振冲碎石桩处理范围见图1。图中圈出了振冲碎石桩地基处理范围，并对145m/175m等特征水位对应高程以及初步设定的152m填筑平台顶高程做了加粗标注，由图可以看出：

（1）左侧振冲处理区地势较低，施工平台形成以填方为主;右侧地形相对较高，主要通过半填半挖的方式形成施工平台。

（2）蓄水后，图中左侧消落区形成了较为明显的局部回淤湾，软土层较为深厚，不利于填方作业和形成振冲碎石桩施工平台。

对工程区进行了详细地质勘察，该区地质结构大致分为三大类：堆积层、冲积层和基岩。

（1）堆积层（Q4^del）及崩坡积层（Q4^dl+col）。以粉质黏土夹角砾、碎石、块石等为主，粗粒含量25%～35%，其母岩以砂岩为主，多呈强风化状。该层基本由斜坡演化过程中的崩滑堆积物构成。

（2）冲积层（Q4^al）。斜坡中下部分布于长江河漫滩、河床内，由粉砂、粉细砂、粉土、粉质黏土以及蓄水后新近冲淤积淤泥质土组成，可细分为4层：①淤泥质土（a-1）：呈褐灰一浅灰色，流塑一软塑状，三峡水库蓄水后新近冲淤积而成，回淤湾内厚度最大近10m，工程特性差，a-1层淤泥质土对于确保工程的安全至关重要。②粉质黏土（a-2）：呈褐灰一黄褐一棕色，软塑一可塑状，局部硬塑状，厚度1.0-25.6m，多分布于上部，有时含砂、泥岩碎石。③粉土（a-3）：呈浅黄一褐黄一浅灰色，稍湿一湿、稍密，含少量钙质结石、砂岩碎石，厚度0.5～21.0m。④粉砂、粉细砂（a-4）：多呈浅灰一黄褐色，稍密状，局部中密状，厚度0.6-37.6m，底部多含有砂岩块石或水蚀蜂窝状砂岩碎石。

（3）基岩。侏罗系中统上沙溪庙组第三段J2s³紫红色一暗紫色泥岩夹砂岩，全层厚度大于200m，岩层产状169°∠6°，与坡面方向呈反倾，且层面坡度较缓，可基本排除沿岩层发生深层滑坡。

图2为图1中1-1和2-2断面的工程地质剖面图。图中还包含了高程152m施工平台以及振冲碎石桩地基处理的设计布置。

参照详勘阶段地勘报告，表1为主要岩土体地层物理力学参数建议值。测试试样基本常年处于水下，饱和度高。由于平台填筑属于短期加载，主要土层均采用快剪试验测试其抗剪强度指标;表层a-1淤泥质土对于施工平台的顺利成形起关键作用。对此，还补充开展了十字板剪切试验，在1m左右深度范围不排水抗剪强度为11.2kPa，重塑强度5.8kPa，灵敏度为1.93。

3平台填筑方案及其优化设计

平台填筑初步方案为：①按照从岸侧向库区的方向，逐级推进填方，填方体前缘自然放坡形成;②逐级推进填方的同时，逐级进行振冲碎石桩加固处理，提高平台的稳定性;③库区水位提升至来年回落到平台高程以下后，按照以上流程继续进行平台填筑和地基加固。

该初步方案对消落区新近沉积淤泥质土的不利影响及周期性蓄水淹没平台等考虑略显不足。需评估平台填筑的稳定性并尽可能充分利用平台泡水期加速地基的固结，对设计方案进行合理优化。

据地形地质资料，将平台设计断面与现状水下地形比对，回淤湾内平台普遍填筑高度8-10m。采用快速填筑路堤所允许的最大填高对天然地基条件下的极限填筑高度Hmax进行估算。在极限填筑高Hmax条件下，地基处于临界状态;一旦填筑高度超过Hmax，天然地基将发生失稳，必须对地基进行加固，使其能够满足设计的填筑高度。可采用费伦纽斯公式（式1）对Hmax进行估算。

式中，y为填土容重，水下时按照浮容重计算，kN/m³;τ为天然地基的抗剪强度，kPa;一般采用十字板剪切指标，或无侧限抗压强度指标的一半，亦或三轴快剪指标。

据式（1），τ取11.2kPa，开挖料回填密度y取18.0kN/m³，计算得到Hmax=3.43m，考虑填土部分区域浸没于水中，按照浮重度进行适当修正，Hmax也只能达到4m左右，与最大填筑高度（近12m）相差较大，能够满足天然地基填筑的区域仅限于岸侧很小的范围，对此需要对天然地基进行预处理后，方可满足平台的顺利填筑。

综合考虑极限填筑高度和库水位的周期性调节，平台填筑方案优化思路分析如下：

（1）平台施工阶段，考虑库区水位调度因素，每年有效施工期不足5个月，按工程进度要求，平台施工及振冲碎石桩地基处理为3a。①平台在具有永久强度前，需跨越2个完整水文年，开挖料填筑形成的土方平台自身结构相对松散，在高含水率条件下工程碾压不易促进水的排出，极易形成橡皮土，进而不利于平台土体自身强度增长，水位周期性调蓄对平台稳定构成一定风险;②平台每年有约8个月浸没于水中，可对天然地基进行预处理，充分利用浸于水下的时间。

（2）按照式（1）进行反推，考虑底部泡水，能够满足10m最大填高，对应的地基抗剪强度须达到约30kPa，为适当降低地基预处理的难度，可由岸侧向外设计缓倾坡度或若干高程台阶填筑，适当降低地势较低区域的填筑高度。

（3）应从工程经济角度考虑地基预处理，且不给后期振冲碎石桩地基处理施工造成困难。

根据以上设计思路，制定平台填筑施工方案如下：

（1）调整施工顺序，优先对半填半挖区域（图1右侧）及岸侧填筑高度较小（以填高4m控制）区域进行平台土方施工作业;其余区域至平台前缘设计放坡线以外20m范围，采用插塑料排水板穿透a-1淤泥质土层并达到振冲桩处理底部，在其上铺（抛）设1-2m碎石垫层，满足预固结附加荷载不小于20kPa，远离岸线区域浸水时间较长，按浮重度计算垫层厚度应按2m考虑，靠岸侧可适当减薄。考虑到后期振冲碎石桩施工以及工程经济性，振冲桩处理区域碎石垫层最大粒径不超过30cm，保证垫层碎石料的最大化利用;同时，碎石垫层与振冲桩共同构成透水网络，有利于加速地基固结和强度增长。

（2）预固结至下一个低水位周期，通过现场十字板试验等对预固结效果进行测试，满足相应填筑高度后，进行平台填筑及振冲碎石桩地基处理作业。

（3）平台顶部外缘至放坡坡脚线采用块石抛填，并碾压形成一道碎石坝，对下伏淤泥土层起到加固和边界限定作用，也可在后续高水位期间对平台内部区域起到有效保护作用。完工后，其作为整个填方体的前缘坡脚，对于保证边坡的长期稳定和坡脚局部稳定具有至关重要的作用。初期顶部高度可适当降低至148m。

4方案优化后平台稳定性计算分析

按照以上方案优化后，对图2所示两个断面进行抗滑稳定性计算分析。按照如下偏于保守的条件进行计算：

（1）仅考虑对于a-1层淤泥质土的加固效果，且按照不排水强度25kPa进行计算;

（2）不考虑抛（铺）填碎石垫层材料相对较高的物理力学参数，平台按开挖回填料参数计算;

（3）平台整体仍按高程152m计，将优化设计的缓倾斜坡或台阶布置作为安全储备考虑，前缘抛块石碾压堤强度参数按内摩擦角ψ=30°取值;

（4）平台最薄弱阶段为填土后、碎石桩施工前，在此阶段按照0.05g（6度地震）水平加速度考虑振冲碎石桩的作业扰动。

计算分析基于Geostudio的SLOPE/W软件，考虑地下水的渗流环境，按照式（2）进行计算抗滑稳定系数。

式中，Ccu.ψcu为不排水强度指标;li为条块宽度;wi为条块的重量;ui为滑面处土条的静孔隙水压力与超静孔隙水压力;θi为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角;F为安全系数。

计算工况包括：①低水位工况：按照145m水位进行边坡稳定性计算。②水位骤降工况：考虑到平台高程为152m，且库水位下降速度较快，骤降工况按照156m骤降至150m进行考虑。③高水位工况：按照175m水位进行边坡稳定性计算，此工况无施工扰动。

计算成果见图3-4。表2对抗滑稳定系数进行了统计，可以看出：

（1）通过预固结处理使平台下伏a-1层淤泥质土物理力学参数提高后，平台在主要控制性工况下抗滑稳定性良好;平台前缘形成的抛石碾压堤对于提高相对薄弱的平台前缘抗滑稳定性具有较明显的作用。

（2）低水位工况是平臺抗滑稳定性的控制性工况，此时平台边坡抗滑稳定性最低，这是地基上部有效附加荷载最大所致。

（3）水位骤降工况对该工程的意义较大，振冲碎石桩施工主要集中在汛期库水位较低阶段，为适应汛期调节，库水位每年都有频繁且快速的涨落，由于平台前缘采用了抛石碾压堤护脚，且在主要变幅区间无陡倾坡面，平台及上下区域抗滑稳定性良好，为后续振冲碎石桩的快速施工提供了重要保障。

（4）高水位工况下，天然地基所受有效附加荷载相对较小，且无施工扰动，抗滑稳定性最高，对于保证振冲桩施工期至后续上部路堤填筑前这一阶段平台的整体稳定性是有利的。

5结论

对于该综合治理工程，为给振冲碎石桩地基处理创造条件，须在新近淤积淤泥质土上填筑形成最大高度约10m的施工平台。基于对淤积层力学特性、平台填筑高度以及软基处理区域特征的分析，综合考虑施131期因素，在满足原设计施工要求的基础上，提出了平台填筑优化方案，并采用优化方案对平台抗滑稳定性进行了计算分析。经以上研究，得到如下结论。

（1）优先对满足极限填筑高度的区域开展地基处理，充分考虑每年约8个月无法开展地基处理施工的因素，对不满足填筑要求的区域采取插塑料排水板+抛（铺）1-2m碎石垫层的方式对淤泥质土进行预固结，确保附加荷载不小于20kPa，有助于施工平台的稳定。

（2）在平台前缘通过抛填块石形成一道碾压坝，可降低跨年度浸水及施工期库水位调节等对平台的不利影响;同时考虑到平台前缘在未来工程运营后仍为高边坡的坡脚，碾压坝对于提高边坡的长期稳定性和耐久性也具有重要作用。

（3）选取2个典型工程地质断面，充分考虑库区水位特征及施工扰动因素，选取偏于保守的计算工况对施工平台抗滑稳定性进行了系统计算分析，证明了优化方案的有效性。

在具体工程实施过程中，还应充分融入动态设计理念。在对地势较低区域进行平台填筑前，运用十字板剪切等技术手段，对预固结处理后的地基强度进行检测。在满足施工要求的情况下，通过设计缓倾斜坡或设置若干台阶的方法，适当降低平台填筑高度，最大限度保障施工平台在地基处理完成前相对薄弱阶段的稳定。