大同圩堤防出險(xiǎn)段加固設(shè)計(jì)

薛　龍

(安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，安徽 合肥　230000)

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大同圩堤防出險(xiǎn)段加固設(shè)計(jì)

薛龍

(安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，安徽 合肥230000)

文章介紹了大同圩堤防的出險(xiǎn)情況，并采用剛體極限平衡法、有限元法計(jì)算了該段堤防的穩(wěn)定狀態(tài)，模擬出堤身內(nèi)力場分布規(guī)律和塑性應(yīng)變范圍，提出了可靠的加固措施。

抗滑穩(wěn)定；剛體極限平衡法；有限元法；塑性應(yīng)變

2012-10月，汛后對(duì)大周圩檢查發(fā)現(xiàn)樁號(hào)5+470～5+510段在堤頂沿堤軸線方向(主要靠近內(nèi)堤肩)發(fā)生開裂，裂縫長度近40m，縫寬20mm～30mm，裂縫的兩端均以弧形狀向堤外坡延伸。11月對(duì)該段堤防進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，提出了處理方案，2012年汛前完成加固。

1　存在的主要問題

堤防出險(xiǎn)段堤基位于原圩區(qū)一老河汊，該堤段地勢低洼，堤基軟弱，自地面以下有較厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土層，存在的主要問題如下：

(1)堤基穩(wěn)定問題。堤基下②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土，厚度達(dá)22m，呈流塑，局部軟塑狀，在堤身及堤頂重載車輛的作用下，容易壓縮變形，從而影響到堤身穩(wěn)定。②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土在外坡腳近乎直接出露，堤腳臨水，汛期直接受水流沖刷、迎流頂沖，形成浪坑、浪孔，對(duì)抗滑穩(wěn)定不利，導(dǎo)致堤身滑坡、開裂等險(xiǎn)情產(chǎn)生。

(2)堤身岸坡穩(wěn)定問題。該段堤防主要修建在第四系沖積平原上，大部分堤身與堤基的接觸部位富含有機(jī)質(zhì)殘骸，結(jié)構(gòu)松散、孔隙較多，滲透性較強(qiáng)，表層為后期加固的黏性土，滲透性較小。汛期堤身土體孔隙中賦存水量較多，汛后難以滲出，從而產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力，加之岸坡較陡，水位下降時(shí)堤身岸坡土體發(fā)生蠕變，導(dǎo)致堤身產(chǎn)生裂縫。

2　加固措施

根據(jù)地形和地勘資料，采取的加固措施如下：① 堤防外坡增設(shè)反壓平臺(tái)長100m，原外坡腳干砌石護(hù)坡拆除后恢復(fù)；②沿堤頂裂縫挖槽至裂縫底部，清除土方后重新回填；③增設(shè)內(nèi)坡平臺(tái)長200m。

3　穩(wěn)定計(jì)算分析

3.1抗滑穩(wěn)定分析

(1)剛體極限平衡法。采用Slope程序，根據(jù)瑞典條分法原理計(jì)算堤防斷面的完建期、穩(wěn)定滲流期和水位降落期的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，地層參數(shù)采用地勘報(bào)告推薦的指標(biāo)計(jì)算，計(jì)算成果如表1所列。

表1　堤防斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

由表1可見，加固前堤防穩(wěn)定安全系數(shù)在完建期及穩(wěn)定滲流期均滿足規(guī)范要求；但外坡水位降落期安全系數(shù)在1.0附近，不滿足規(guī)范要求，坡面滑動(dòng)處在臨界狀態(tài)，容易失穩(wěn)。通過增設(shè)內(nèi)外坡平臺(tái)等措施加固后各工況計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

(2)有限元法。土體的數(shù)值分析方法考慮土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，克服了極限平衡方法完全不考慮土體本身的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的缺點(diǎn)，為邊坡分析提供了一種更全面的分析方法和手段。有限元法是數(shù)值分析方法中發(fā)展最快的一種，它可以考慮土體的非均勻性、各向異性、非連續(xù)性及非線性等，適用于各種實(shí)際的邊界條件。應(yīng)用ANSYS程序進(jìn)行有限元分析，應(yīng)力及塑性應(yīng)變成果分別如圖1和圖2(圖中的單位：應(yīng)力Pa，位移m)所示。

圖1　堤防加固前、后Y方向應(yīng)力云圖

圖2　堤防加固前、后塑性位移云圖

分析圖1與圖2可見，① 深層應(yīng)力、應(yīng)變的影響。從深層應(yīng)力及塑性應(yīng)變?cè)茍D看，應(yīng)力值一般在132～267kPa范圍以內(nèi)；經(jīng)多年預(yù)壓固結(jié)，塑性應(yīng)變值一般在0.03m范圍以內(nèi)，不會(huì)造成深層滑動(dòng)。② 加固前后塑性應(yīng)變區(qū)變化。加固前最大塑性應(yīng)變?yōu)?.0287m,加固后為0.0215m,減小幅度為25%，且加固后塑性發(fā)生范圍縮減20%左右。由于塑性變形不僅和堤身位移有關(guān)，更直接關(guān)系到堤身的穩(wěn)定問題。因此，加固后堤身的穩(wěn)定性得到顯著提高。

3.2滲流穩(wěn)定分析

采用AUTOBANK程序進(jìn)行計(jì)算，外河水位采用設(shè)計(jì)洪水位，堤基坡腳處滲流的最大出逸比降為0.139，堤后出逸點(diǎn)高度0.11m。堤身、地基均為粉質(zhì)壤土，滲透變形的類型為流土型。堤身及地基的水平滲流坡降最大值為0.19，小于容許滲流坡降值，滲流是穩(wěn)定的。出逸段與背水側(cè)堤基表面的出逸比降最大值為0.139，小于容許出逸坡降0.30，堤后坡腳滲流穩(wěn)定。從堤防建成至今未發(fā)現(xiàn)堤基深層管涌等險(xiǎn)情來看，堤基深層滲流穩(wěn)定。

3.3沉降穩(wěn)定分析

(1)運(yùn)行期堤身沉降量計(jì)算。采用AUTOBANK程序計(jì)算因汛期及汛后水位變化造成的堤身沉降值。現(xiàn)狀堤身在外水位及堤身浸潤線變化前后發(fā)生的沉降量為11mm，沉降值較小。采取工程加固措施后，相應(yīng)沉降量降低為7mm，減少幅度為36%，有利于堤身的穩(wěn)定。

(2)有限元分析。采用ANSYS程序，模擬計(jì)算汛后水位變化造成的堤身沉降值。加固前堤身在水位變化后的沉降量為12mm，加固后相應(yīng)沉降量為8mm，減少幅度為33%，加固措施對(duì)堤身穩(wěn)定有利。

3.4險(xiǎn)情原因分析及加固結(jié)論

根據(jù)上述計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌及對(duì)本段堤防險(xiǎn)情原因的分析，其加固措施評(píng)價(jià)如下：①該堤段位于老河汊深厚軟基段。自2000年加固以來，堤防表面加培一層粘性土層，受原老河汊地勢影響，外河灘地較陡，外坡腳地面高程由9.5m左右降低為7.5m，坡面易失穩(wěn)。②現(xiàn)狀堤防外。其坡在水位降落期穩(wěn)定安全系數(shù)約為在1.0，堤防穩(wěn)定性差，不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，堤身浸潤線下降時(shí)，上游坡面處于滑動(dòng)的臨界狀態(tài)，導(dǎo)致頂部首先產(chǎn)生裂縫。③滲流穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。④深層塑性應(yīng)變。從深層塑性應(yīng)變?cè)茍D看，一般不會(huì)造成深層滑動(dòng)。經(jīng)多年預(yù)壓固結(jié)，堤防總沉降已基本穩(wěn)定，變位總體趨緩，塑性應(yīng)變值一般在0.03m范圍以內(nèi)，不會(huì)造成深層滑動(dòng)。⑤堤防邊坡的內(nèi)外坡腳。適當(dāng)增設(shè)壓穩(wěn)平臺(tái)后，堤防內(nèi)外坡各運(yùn)行工況下穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，堤防沉降量減少幅度達(dá)30%以上，有利穩(wěn)定。本次除險(xiǎn)加固采取的內(nèi)外坡腳填筑壓穩(wěn)平臺(tái)措施是合適的。

4　結(jié)束語

通過多種方法對(duì)大同圩出險(xiǎn)段堤防的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，模擬應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，直觀反應(yīng)了各種工況下堤身及堤基的內(nèi)力場分布規(guī)律、塑性應(yīng)變的大小及范圍，相互驗(yàn)證了各種分析方法是合理的，得到的計(jì)算成果符合實(shí)際，為該工程的加固處理措施提供了可靠依據(jù)，可為類似工程的加固提供一定參考。通過3年來的汛期考驗(yàn)，以及變位監(jiān)測等，大堤未發(fā)生異常情況，邊坡穩(wěn)定，發(fā)揮了應(yīng)有的效益。

[1]GB 50286-2013，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]盧廷浩.土力學(xué)(第2版)[M].南京：河海大學(xué)出版社，2011.

[3]錢家歡，殷宗澤.土工原理及計(jì)算(第2版)[M].北京：中國水利水電出版社，1996.

[4]安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院.江南產(chǎn)業(yè)集中區(qū)大同圩堤防5+470～5+510段除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2011.

(責(zé)任編輯胡進(jìn))

Reinforcement design of Datongwei Levees dangerous section

XUE Long

(Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower，Hefei 230000,China)

This paper introduces the dangerous condition of the Datongwei levee,using the rigid limit equilibrium method and finite element method to analyze the steady state of the levee,in this way to simulate the distribution of internal forces field and plastic strain range,and proposes a reliable reinforcement measures.

stability against sliding；rigid limit equilibrium method；finite element method；plastic strain

2016-05-03；

2016-05-08

薛龍(1984-)，男，安徽蕭縣人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.03.012

TV871

A

1671-6221(2016)03-0038-03