南沙某堤围加固工程地质问题分析及处理对策

刘海燕

(广东珠荣工程设计有限公司，广州 510610)

作为粤港澳大湾区城市群的中心，南沙区基础设施建设显得尤为重要。而南沙地区作为含有大量典型软弱土的区域，在进行工程建设时，查明地基软土的分布特征、工程特性及主要工程地质问题，对工程设计和建设具重要意义[1-2〗。水利设施的安全性和整体质量在很大程度取决于软土地基的处理情况[3]，堤基透水层的渗透变形问题以及砂土液化问题的处理情况。针对各堤基分段开展地质条件评价，根据其主要地质问题提出相应的加固措施，才能使加固方案更加经济、合理、可靠[4]。

1 堤围概况

该堤围位于广州市南沙区万顷沙联围，地貌为人工围垦河网平原，现状堤顶高程3.39-3.80m，堤宽约3-4m，堤顶路为土路，现状堤防较好，但堤顶高程不满足50a一遇防洪潮标准，堤顶路较窄，不能满足双向通车要求。本堤段为南沙湿地公园范围，堤防背水侧杂草树木丛生，与湿地公园的生态环境不协调。现状堤防背水侧某施工段有水渗出。

据主管部门介绍，历史上堤岸曾由于软土地基导致沉降，加之遇较大规模潮水，曾发生过洪水期经河流冲刷淘蚀发生过小规模失稳险情，但随后相关部门及时采取修补措施解决险情。

2 工程地质条件

2.1 地质构造及地震

工程区位于粤中拗褶断束的南部，区内第四系覆盖层广泛分布，且分布厚度>50m，未发现明显断裂构造迹象，周边的断裂构造以弱活动断裂为主。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，工程区地震动峰值加速度为0.10g，相应的地震基本烈度为Ⅶ度，动反应谱特征周期为0.35s。

2.2 地层岩性特征

工程区位于珠江三角洲平原出海口地带，受海浪及潮汐水动力作用分布有厚-巨厚层软土，多为含水丰富的淤泥、淤泥质黏土及粉细砂[5]。工程区揭露的地层主要有①人工填土(Q4s)、②第四系全新统海陆交互相沉积(Q4mc)，地层结构划分及其特性如下：

第①层(Q4s)为灰色人工填筑土，分为两个亚层：①-1回填粉质黏土：褐黄色，稍湿-湿，以可塑状为主，主要成分粉黏粒，夹少量粉细砂，厚约3.80-5.20m，稍密状，压实度一般，主要为弱透水。①-2回填中细砂层，厚约0.70-1.30m，饱水，稍密状，主要成分为石英质中细砂，夹少量黏粒。

②第四系全新统海陆交互相沉积软土层(Q4mc)，共分为5个亚层：

②-1粉砂质淤泥质粉质黏土：该层连续分布在填土层以下，灰色，湿，流塑-软塑，主要成分粉黏粒，次要成分为粉细砂，砂粒含量平均值超20%。岩芯切面粗糙，手摸黏手，含少量有机质。

②-2淤泥夹薄层粉细砂：湿，软塑-流塑，主要成分为粉黏粒。岩芯切面较为平整，切面可见粉细砂，夹层厚度<1cm，夹少量贝壳碎屑。手摸黏手，有臭味，有机质含量较高。

②-3淤泥夹中细砂：湿，软塑状，淤泥主要成分为粉黏粒，夹层主要为中细砂，含大量贝壳碎屑。

②-4含贝壳泥质中粗砂：饱水，稍密，主要成分为中粗砂，次要为粉黏粒，含大量贝壳碎屑，有臭味，有机质含量较高。

②-5含卵砾泥质中粗砂：湿，稍密状，主要成分为中粗砂，次要成分为粉黏粒，夹卵砾石。层厚较大，钻孔未揭穿。

本堤段堤基2倍堤高范围内土层主要为②-1粉砂质淤泥质粉质黏土和②-2淤泥夹薄层粉细砂，均主要为软土层，堤基地层较为单一，堤基地质结构主要划分为软土单一结构I类。各岩土层物理力学参数见表1。

表1 各土层物理力学参数

2.3 水文地质条件

工程区主要含水层为松散覆盖层孔隙含水层和基岩裂隙含水层。孔隙含水层主要分布于松散覆盖层孔隙中，上部细粒土为弱透水层，下部砂土为中等-强透水层，水力坡度较小。基岩裂隙水埋藏深，多赋存在基岩风化裂隙中，富水程度弱，对本次工程影响较小。

工程区位于出海口，地表水、地下水受潮流影响严重，涨潮时河水位上涨，发生倒流，地下水位上升，退潮时河水位下落，地下水位亦下降。地表水和地下水化学类型一致，均为Cl-HCO3-Na型，矿化度620-2040mg/L，pH值为7.04-7.35，属中性-弱碱性水。根据腐蚀性判别结果，地表水对混凝土结构无腐蚀性，地下水对混凝土结构具有碳酸型弱腐蚀性；两者对钢筋混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性。

3 主要工程地质问题

本工程要查明和解决的主要工程地质问题有渗透变形、抗滑稳定、沉降变形、抗冲、抗震稳定和特殊土问题，根据勘察资料分析如下。

3.1 抗滑稳定问题

现状堤顶高程不满足防洪潮标准，本次堤防除险加固局部堤段需要加高培厚，加高厚度不足1m，加高完成后堤顶附加应力荷载不足15kPa，堤身拓宽部分堤基填筑最大高度亦不足5m。现场十字板剪切试验抗剪强度Cu小值均值统计值为23kPa。由路基设计相关公式(Hc=5.52Cu/γ)粗略计算②-1粉砂质淤泥质粉质黏土的路基临界填筑高度可达7m。抗滑稳定具有一定的安全保障，基本不存在抗滑稳定问题[6]。

3.2 沉降变形问题

堤基土主要为淤泥质粉质黏土，具高压缩性，抗剪强度较低，灵敏度较高，受上部荷载长年累月的堆压，主固结沉降已完成，堤防基本上处于稳定状态，没有明显的变形破坏。但本次对现有堤防加高培厚，堤后背水侧新增荷载较多，在新增荷载的作用下仍存在一定的沉降变形问题。现有堤防的加高部分和新增拓宽连接部分对堤基土产生的附加应力差异较大，新旧堤身之间会产生差异性沉降，堤基未经处理同步施工会导致后期堤顶路面硬性材料的开裂破坏。

3.3 渗漏及渗透稳定问题

本次勘察堤体局部有①-2回填细中砂层，透水性较强，其下有淤泥夹薄层粉细砂、中细砂、含贝壳泥质中粗砂等地层，透水性中等-强。勘察期间，当外江潮水位较高时，部分堤内钻孔孔口可见少量水渗流出，外江潮水下降时渗流停止，说明高潮位堤内外水力联系密切。

堤基土①-2细中砂层，其渗透变形类型为管涌型，根据相关规范，允许水力比降取0.15-0.20。由于该堤防内外潮水位差最大约3m，根据设计断面堤基渗漏路径约22m，水力比降为0.136，临近细中砂层的允许水力比降，故存在渗透稳定问题。

堤基②-1粉砂质淤泥质粉质黏土，为细粒土，其渗透破坏类型为流土，经计算，②-1粉砂质淤泥质粉质黏土层允许水力比降为0.32，>设计水力比降，该层土不存在渗透变形问题。

3.4 抗震稳定问题

工程区存在深厚软土层，建筑场地类别为Ⅲ类。根据钻孔剪切波速测试成果：①-1回填粉质黏土剪切波速203-207m/s，①-2回填中细砂剪切波速177.5m/s，②-1粉砂质淤泥质粉质黏土剪切波速140-144m/s，②-2淤泥夹薄层粉细砂剪切波速132-136m/s，均>规范要求的90m/s临界等效剪切波速，故本工程软土可不考虑震陷影响。

工程区堤基15m范围内的土层主要为②-1粉砂质淤泥质粉质黏土，黏粒(粒径<0.005mm的颗粒)含量百分率>20%，依据规范可判定为不液化土。

3.5 抗冲刷问题

堤外水流复杂，大部分没有外滩，堤外坡直接临水，水下岸坡由软土组成，在水流对岸坡冲刷、浪蚀作用下，特别是当台风及高潮的同时来临时，在巨大浪袭冲击作用下，现在的护脚抛石以及其它的防护设施一旦被冲跨，可能于坡脚处形成冲刷坑，产生临空面，而导致挡墙的侧滑破坏，从而进一步产生对堤防的破坏。建议现状堤防加强抗冲加固处理，并做好巡视及监测工作。

4 除险加固对策

堤防存在的主要工程地质问题是软土沉降变形、渗透稳定问题，工程地质条件较差，属C类。针对存在的工程地质问题，经分析论证，加固对策如下：

4.1 堤基处理

对软弱淤泥质地基来说，可采用的方法通常有：砂石桩置换法、堤身自重预压法、镇压层法、加筋法、深层搅拌法等[7-8]。

现状堤围是经过历年加高培厚而成，已运行多年，堤基软土已受到了一定程度的排水固结，强度亦在逐渐增高，堤防基本上处于稳定状态。本次加高部分<1m，考虑到经济成本，本次堤岸在有建筑物的堤段采用搅拌桩处理，其余采用塑料插板排水固结法处理地基。堤身施工，先铺设粗砂排水垫层，厚0.5m，垫层内布设排水盲沟；在排水垫层上施打塑料排水板，排水板采用梅花形布置，间距1.0m；土方分层填至标高2.1m，每层厚度≤1.0m，满载压载≥90d，预估沉降约350mm，待沉降稳定后卸载，将多余土方填至其它区域，修整坡面。

为防止新旧堤身之间产生差异性沉降，对新增连接部分地基土进行预固结处理，预固结加压结合堤防分层填筑施工同步进行，控制施工加荷速度，堤身堤基沉降变形稳定后，再进行上游护面和堤顶路面等硬性混凝土结构的施工。

4.2 堤基防渗

勘察发现局部堤段堤基土有回填细中砂层，在高潮位与堤外连通，渗透明显，为防止发生渗透变形问题，全线堤身增设4.5m宽压渗平台，堤后排水沟与压渗平台1∶3衔接，平台顶及坡面草皮护坡。增加压渗平台后渗透比降约0.11，<细中砂层的允许坡降，且有一定的安全储备。

为防止浪袭、冲刷问题，经技术、经济等方面进行对比，堤身仍保存原有堤防，临水侧在原有砌石挡墙基础上采用钢筋混凝土深弧式防浪墙，加高至防浪墙顶高程4.6m，增设消浪平台，平台外加强抛石护脚。背水侧填土加高培厚至设计堤顶高程和设计堤顶宽，背水坡绿化护坡，与南沙湿地公园景观相得益彰。

项目自建成投入使用已运行满3a，经历多次台风、洪潮考验，堤围完好无损，现状运行良好，未发现堤基沉降变形、渗透变形等安全隐患，社会效益良好。

5 结 语

水利工程堤围加固是沿海城市重要的基础设施建设，工程地质勘察是堤围除险加固设计的重要依据，直接影响着设计文件的深度及可靠度[9]。文章以广州市南沙区某堤围为例，通过勘察查明该堤围的工程地质条件，对存在的工程地质问题进行分析，并提出相应的除险加固措施，旨在为类似工程设计、施工等提供参考。