水中填筑圍堰利用堰體自重擠淤效果分析

朱德志，張文慧，王瑩瑩

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098）

水中填筑圍堰利用堰體自重擠淤效果分析

朱德志1，2，張文慧1，2，王瑩瑩1，2

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098）

在河床上填筑土質(zhì)圍堰，由于淤泥土地基的壓縮性高、變形大、滲透性低、固結(jié)變形持續(xù)時間長，所以地基的穩(wěn)定性成為工程設(shè)計面臨的主要問題。通過秦淮河船閘擴(kuò)容改造工程圍堰施工的工程實踐，分析利用堰體自重擠淤的效果，并通過ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。對比圍堰檢測的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對于淤泥層厚度不大的區(qū)域利用水中填筑圍堰的自重進(jìn)行擠淤可以達(dá)到很好的效果，從而提高圍堰的整體穩(wěn)定性。

擠淤；數(shù)值模擬；圍堰

1 引 言

圍堰一般是在水中修建的臨時性擋水建筑物，但也常與大壩等主體建筑物結(jié)合而成為大壩的一部分，在大江大河水利水電工程建設(shè)中，圍堰具有舉足輕重的作用，圍堰的成敗直接關(guān)系到大壩等永久建筑物的施工安全、工期及造價，如果攔蓄的洪水容量較大，還關(guān)系到下游人民生命財產(chǎn)安全［1－2］。

淤泥是在靜水或者緩慢流水環(huán)境中沉積形成的，其主要特點(diǎn)是含水率高且大于液限，孔隙比大于1.5呈現(xiàn)流塑狀的飽和粘性土。淤泥不僅孔隙比大、含水率高且壓縮性高、滲透性差（小于10－6cm／s），強(qiáng)度低，具有明顯觸變和流變性。靈敏度較高（St＝ 4～8），一旦受到擾動，淤泥結(jié)構(gòu)從絮凝狀態(tài)變成某種程度的分散結(jié)構(gòu)，同時結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會急劇降低，造成用開挖方法清除淤泥的困難［3－5］。

擠淤即填筑體在擠開淤泥過程中，不斷下沉至淤泥內(nèi)一定深度后，周圍淤泥被擠起，對填筑體產(chǎn)生很大的阻滑力和上托力，當(dāng)填筑體跟周圍淤泥處于極限平衡狀態(tài)時，便不再下沉。靜置之后，被擠淤泥中的超空隙水壓力逐漸排除，有效應(yīng)力逐漸加大，淤泥的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)，承載力也逐漸加大，填筑體逐漸成為懸浮于淤泥中或者沉底的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)［6－7］。

利用圍堰自重擠淤法，主要通過斷面推進(jìn)過程中土體自身及機(jī)械的擠壓，淤泥土剪切破壞，加快堤基流塑變形的穩(wěn)定，從而有效提高圍堰的抗滑穩(wěn)定［8－9］。

2 工程實例－秦淮河船閘擴(kuò)容改造工程利用填筑圍堰自重擠淤

秦淮河船閘位于秦淮河航道新河段下游，距入江口約2 km，是溝通長江干線和南京內(nèi)河航道的唯一通江口門船閘，是南京市水上交通的重要基礎(chǔ)設(shè)施（見圖1）。下游圍堰所處位置（見圖2）位于河床最深處高程為－1.5 m，存在3.0 m左右的淤泥層，淤泥層以下是深厚的粉砂層。堰體總高度為13.5 m，水下填筑高度7 m，水上填筑6.5 m，分層碾壓。下游圍堰按滿足Ⅰ級防洪大堤標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)置：先填筑圍堰①進(jìn)行擠淤，圍堰①填筑的高程為6.0 m，迎水側(cè)坡比1∶4，背水側(cè)坡比1∶3，之后抽干圍堰內(nèi)的水，再在背水側(cè)設(shè)置反壓平臺，接著在背水側(cè)清淤，最后填筑⑥、⑦并分層碾壓，防滲帷幕墻設(shè)置于背水側(cè)高程約為5.0 m，反壓平臺則設(shè)置于背水面坡腳位置，臨水面二級平臺及其以上坡面采用袋裝土防護(hù)至坡頂。堤身自重擠淤法主要通過斷面推進(jìn)過程中土體自身及機(jī)械的擠壓，加快堤基流塑變形的穩(wěn)定，從而有效提高圍堰的抗滑穩(wěn)定。水面以下部位的圍堰填筑坡度不小于1∶4，為有效提高水下堆填質(zhì)量，采取先備足土料，后采用推土機(jī)全斷面由一側(cè)向另一側(cè)緩慢推土入水，形成完整堰體后，適當(dāng)減緩水上堰體的填筑速度，并加強(qiáng)圍堰填筑過程中堰體沉降速度的監(jiān)測，確保堤基流塑變形與堰體沉降平衡、穩(wěn)定。

圖1 秦淮河船閘平面圖

圖2 下游圍堰結(jié)構(gòu)圖

3 利用填筑圍堰自重擠淤有限元計算

3.1計算模型

飽和的淤泥土抗剪強(qiáng)度在快速施加荷載的情況下，內(nèi)摩擦角φ近似為0，只考慮不排水強(qiáng)度CU，所以擠淤的單位壓力可按A.W.Skempton的極限承載力半經(jīng)驗公式進(jìn)行計算：

式中：qf為極限承載力；CU為不排水強(qiáng)度；D為填土進(jìn)入淤泥的深度；B為圍堰寬度；L為圍堰長度；γ0為拋填土體重度［10］。

本文運(yùn)用 ABAQUS軟件提供的“模型改變”（MODEL CHANGE）功能以實現(xiàn)采用增量法模擬荷載的逐級增加，還可以反映結(jié)構(gòu)本身施工填筑變化對應(yīng)力應(yīng)變的影響。同時由于存在淤泥層和水中拋填土體，土層壓縮性較高，沉降較大，利用ABAQUS可以考慮大變形的影響，建立圍堰體系彈塑性有限元數(shù)值模型，采用Mohr－Coulomb破壞準(zhǔn)則考慮大變形分析淤泥層的受力及變形特性［11］。

下游圍堰按滿足Ⅰ級防洪大堤標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)置：先填筑圍堰①進(jìn)行擠淤，圍堰①填筑的高程為6.0m，圍堰頂寬為3 m，施工期水位5.5 m，水中拋填粘土到高程5.5m，水上填筑0.5m機(jī)械碾壓完成擠，迎水側(cè)坡比1∶4，背水側(cè)坡比1∶3。堰體中各土層所示材料特性見表1。

在計算過程中，為了各個結(jié)點(diǎn)和單元能夠相互匹配，故在所有的計算中都采用同一套的網(wǎng)格單元，為四節(jié)點(diǎn)四邊形單元。將圍堰劃分為12 352個節(jié)點(diǎn)，12 002個單元，單元類型為CPE4，有限元網(wǎng)格見圖3。

表1 各土層參數(shù)

圖3 圍堰有限元網(wǎng)格剖分

圖4中坐標(biāo)原點(diǎn)為迎水側(cè)填筑粘土和淤泥土的接觸點(diǎn)，結(jié)合圖5可以看出圍堰①填筑完成后最大位移出現(xiàn)在淤泥層，淤泥層水平位移從圍堰①軸線處分別向兩側(cè)先變大后減小，在軸線處位移為零，用ABAQUS軟件分析淤泥層的等效塑性應(yīng)變變化圖（見圖6）可以看出，等效塑性應(yīng)力從圍堰軸線處向迎水側(cè)和背水側(cè)發(fā)展，直至從坡腳處擠出，淤泥層破壞。

圖4 淤泥層和填土接觸面的水平位移隨坐標(biāo)變化圖

圖5 圍堰水平位移分布圖（單位：cm）

圖6 圍堰等效塑性應(yīng)變圖

3.2 圍堰檢測結(jié)果

3.2.1 土層分布

土中填筑完成后土層檢測結(jié)果見圖7。

3.2.2 檢測點(diǎn)布置

為了得到圍堰的擠淤效果，在圍堰布置5個鉆孔，鉆孔布置圖見圖8，檢測結(jié)果見圖7。圍堰檢測后土層分布自上而下依次為：素填土，層厚為6.40 m～8.50 m，層底高程為－0.40 m～－2.10 m；淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土或粉質(zhì)粘土夾砂（在鉆孔XJ1、XJ2為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；鉆孔XJ3、XJ4、XJ5為粉質(zhì)粘土夾砂），層厚0.90m～1.30 m，層底高程為－0.40 m～－3.10 m；粉砂，未揭穿。

圖7 圍堰工程地質(zhì)剖面圖

圖8 圍堰鉆孔布置圖

3.3 擠淤效果分析

從圍堰水平位移云圖（見圖5）可以看到，迎水側(cè)和背水側(cè)水平位移最大值都出現(xiàn)在淤泥層，迎水側(cè)最大位移為8.04 cm，背水側(cè)最大位移為22.92 cm，在淤泥層和填筑體接觸面建立水平方向的位移路徑（見圖4），迎水側(cè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，從圖4可以看出從圍堰軸線向圍堰兩側(cè)的水平位移先增大再減小，在圍堰軸線兩側(cè)位移較小。

從等效塑性應(yīng)變圖（圖6）上可以看到，由于淤泥土的強(qiáng)度很低，在堤身自重的作用下，塑性區(qū)主要發(fā)生在淤泥層而且淤泥層塑性區(qū)會不斷的發(fā)展，塑性區(qū)首先發(fā)生在圍堰軸線附近的淤泥層，接著從圍堰軸線處向兩側(cè)發(fā)展，直到發(fā)展到堰腳處，這一過程正是淤泥層被剪切破壞的過程。

圍堰在拋填之前存在3.0 m左右的淤泥層，從圍堰檢測結(jié)果（圖7）可以看到，拋填結(jié)束之后，在鉆孔XJ1、XJ2段為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，層厚為0.9 m～1.1 m，在鉆孔XJ3、XJ4、XJ5段為粉質(zhì)粘土夾砂，層厚為0.9m～1.3m，在迎水側(cè)坡腳和坡身已不存在淤泥層，說明淤泥層被堤身自重擠開，擠淤效果明顯。在沒有擠淤的情況下，用ABAQUS軟件中的強(qiáng)度折減法計算下游圍堰的整體安全系數(shù)為1.1，擠淤結(jié)束之后在淤泥被擠開的情況下，重新建立圍堰的有限元模型，此時用ABAQUS軟件中的強(qiáng)度折減法計算下游圍堰的整體安全系數(shù)為1.54，安全系數(shù)提高了40%，可以看出淤泥層的存在將嚴(yán)重影響圍堰的整體穩(wěn)定，擠淤在提高圍堰的穩(wěn)定性方面就顯得至關(guān)重要。

從上述結(jié)果可以看出水中拋填圍堰利用堰體自重擠淤，首先是圍堰軸線附近的淤泥發(fā)生塑性破壞，接著向軸線兩側(cè)發(fā)展，淤泥會被從坡腳處擠出，直到堰體重新達(dá)到平衡，擠淤結(jié)束，擠淤效果最顯著的部位發(fā)生在圍堰軸線到迎水側(cè)和背水側(cè)的淤泥層，而圍堰軸線兩側(cè)的淤泥層由于受到的摩擦阻力更大，擠淤效果不是很明顯。

4 結(jié) 論

（1）對于淤泥層厚度不大的區(qū)域進(jìn)行水中拋填圍堰，利用堰體自重可以有效地擠開圍堰軸線到坡腳的淤泥，達(dá)到很好的擠淤效果。

（2）利用圍堰自重擠淤，由于淤泥被擠出，從而加快堤基的流塑變形穩(wěn)定，有效提高圍堰的抗滑穩(wěn)定，最終提高圍堰整體穩(wěn)定性。

（3）用ABAQUS軟件模擬圍堰填筑過程和填筑結(jié)束后擠淤的結(jié)果，對比圍堰檢測結(jié)果，可以看出兩者是一致的，說明用ABAQUS軟件模擬擠淤是可靠的。

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Analysis on Squeezing-silt Effect by Using Filled Soil Cofferdam Weight in Water

ZHU De-zhi1，2，ZHANGWen-hui1，2，WANG Ying-ying1，2
（1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China；2.Geotechnical Engineering Research Institute，HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

Because of the high compressibility，low permeability and long duration of the consolidation deformation of silt dam foundation，the stability of the dam foundation becomes themain problem in engineering design when filling the soil cofferdam on river bed.Here，the effect of squeezing-silt by using the dam weight is analyzed combined with the engineering examples for the cofferdam construction ofQinhuaiRiver’s lock expansion and renovation project，and the numerical simulation ismade by using the ABAQUS software.It is found that taking the use of filled soil cofferdam weight in thewater could achieve good squeezing-silt results in the area where the silt layer thickness is small compared with the test results of the cofferdam，thereby the overall stability of the cofferdam could be improved.

squeezing-silt；numerical simulation；cofferdam

TV551.3

A

1672—1144（2014）01—0100—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.021

2013-08-30

2013-09-25

朱德志（1987—），男，江蘇宿遷人，碩士研究生，研究方向為水中填筑圍堰整體穩(wěn)定。