含施工裂縫隧道穿越段堤防滲流和穩(wěn)定分析

甘 磊，吳 健，戴壽曄，馬洪影

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225000;3.江蘇致遠(yuǎn)工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 淮安 223005)

隨著我國(guó)城市的快速發(fā)展，大型過(guò)江、過(guò)河隧道越來(lái)越多。采用泥水盾構(gòu)法在軟土地區(qū)修筑水底隧道時(shí)，不可避免地要穿越堤防[1]。隧道穿越段堤防由于施工擾動(dòng)以及土體開(kāi)挖等原因，需要關(guān)注幾個(gè)問(wèn)題：①施工擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致堤防發(fā)生不均勻沉降，堤身易形成裂縫[2]，嚴(yán)重降低堤防抗?jié)B性能和邊坡穩(wěn)定；②施工擾動(dòng)改變了堤防土層的密實(shí)度，使原有土層的滲透系數(shù)變大，導(dǎo)致滲流量增大，甚至造成滲透破壞及接觸破壞等，且其土層黏聚力和摩擦角變小，易發(fā)生失穩(wěn)破壞[3]；③滲透水流經(jīng)堤身從隧道未襯砌段流出，將導(dǎo)致隧道頂部土層滲透坡降增大[4]。

在堤防滲流分析方面，胡學(xué)林[5]認(rèn)為在定向穿越工程中對(duì)穿越孔洞壁與管壁之間進(jìn)行填充密實(shí)，可有效降低堤防滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)；姜樹(shù)海等[6]建立了定量預(yù)測(cè)堤防滲流風(fēng)險(xiǎn)率的實(shí)用模型，指出堤防內(nèi)外的水位差異是影響滲流風(fēng)險(xiǎn)率的重要因素；韋鵬昌等[7]提出滲透破壞是堤防失事的主要誘因，采用水泥土防滲墻等進(jìn)行防滲加固可明顯降低堤防失事的綜合風(fēng)險(xiǎn)率。在裂縫對(duì)邊坡穩(wěn)定影響研究方面，陳鐵林等[8]分析了有無(wú)裂縫對(duì)膨脹土和非膨脹土邊坡的影響，認(rèn)為裂縫是誘發(fā)滑坡的重要因素；蔣澤鋒等[9]提出了降雨條件下含張裂縫邊坡的臨界滑動(dòng)場(chǎng)數(shù)值模擬方法，計(jì)算結(jié)果表明降雨條件下張裂縫位置對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響較大；王小兵等[10]建立了邊坡抗滑穩(wěn)定失效概率計(jì)算模型，分析結(jié)果表明堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨著土體黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小而減??；鄧東平等[11]研究了張裂縫位置及水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，計(jì)算結(jié)果表明張裂縫位置離坡頂距離越近，穩(wěn)定性越小，張裂縫內(nèi)水位越高，邊坡越不穩(wěn)定。

穿堤隧道的建設(shè)與運(yùn)行改變了堤防原有的滲流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)，施工裂縫、堤身滲透系數(shù)變大及隧道頂部水力坡降增大等問(wèn)題威脅著堤防的整體安全。本文針對(duì)某長(zhǎng)江隧道穿越段堤防，重點(diǎn)考慮施工裂縫對(duì)堤防滲流性態(tài)和邊坡穩(wěn)定的影響，計(jì)算最高水位條件下不同深度裂縫堤防各分區(qū)滲透坡降及邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，綜合評(píng)價(jià)該穿越段堤防的穩(wěn)定性。

圖1 堤防三維有限元計(jì)算模型(單位：m)Fig.1 3D finite element model of the embankment (unit: m)

1 工程概況

某長(zhǎng)江隧道穿越段，隧道采用泥水平衡式盾構(gòu)施工，為雙管盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑14.96 m，隧道為北西—南東走向，總長(zhǎng)度為3 510.00 m，盾構(gòu)長(zhǎng)度為2 932.76 m，洞徑約14.30 m，北岸起點(diǎn)底板標(biāo)高約-19.00 m，中段最低處底板標(biāo)高約-51.00 m，南岸終點(diǎn)洞口底板標(biāo)高約-16.00 m。該堤防為重要防洪工程，保護(hù)等級(jí)為2級(jí)。大堤基底至隧道頂?shù)木嚯x為11.50～12.50 m，堤身堆填物為粉質(zhì)黏土，頂面寬8.00～10.00 m，標(biāo)高約11.70 m，堤頂擋水墻高出大堤約1.0 m。第二臺(tái)盾構(gòu)機(jī)穿越期間，大堤頂部地面出現(xiàn)兩道裂紋，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且其施工期處于長(zhǎng)江汛期。為確保長(zhǎng)江大堤安全度汛，需評(píng)價(jià)其在歷史高水位條件下的堤防滲流性態(tài)和邊坡穩(wěn)定狀況。

2 研究方法

2.1 基本理論

滲流有限元分析采用飽和-非飽和滲流基本理論[12]，將非飽和區(qū)土中水分運(yùn)動(dòng)和飽和區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)相互聯(lián)系，水在飽和土及非飽和土中均服從達(dá)西定律，飽和土的滲透系數(shù)是常數(shù)，而非飽和土的滲透系數(shù)則為土體飽和度的函數(shù)。

邊坡穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典彼得森于1916年提出的瑞典圓弧法[13]，假定土坡失穩(wěn)破壞簡(jiǎn)化為一平面應(yīng)變問(wèn)題，破壞滑動(dòng)面為一圓弧形面。計(jì)算時(shí)將可能滑動(dòng)面以上的土體劃分成若干鉛直土條，不考慮土條間相互作用力的影響。

2.2 計(jì)算模型

三維有限元計(jì)算模型如圖1所示。圖1模擬了隧道穿越段堤防主要結(jié)構(gòu)和地層地質(zhì)條件，考慮了各材料分區(qū)的性質(zhì)差異，通過(guò)控制斷面超單元法生成有限元網(wǎng)格[14-15]，經(jīng)加密細(xì)分后形成三維有限元網(wǎng)格，其結(jié)點(diǎn)總數(shù)及單元總數(shù)分別為28 342和25 304。模型邊界條件規(guī)定如下：堤防迎水坡和背水坡水位以下部分分別為上游和下游已知水頭邊界Γ1；x=0、120 m、y=0、120 m、z=0 m截取邊界為不透水邊界Γ2；堤防背水坡面下游水位以上部分為出滲邊界Γ3。

表1 各分區(qū)材料計(jì)算參數(shù)

表2 滲流計(jì)算工況

表3 邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況

表4 堤防滲流計(jì)算結(jié)果

圖2 工況C-6堤防地下水位等值線(單位：m)Fig.2 Groundwater level contour in embankment area under Condition C-6 (unit: m)

2.3 計(jì)算參數(shù)及工況

結(jié)合工程地質(zhì)情況和地質(zhì)勘探成果，各分區(qū)材料的滲透系數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算選取歷史最高水位(10.22 m)作為上游水位，下游水位為6.00 m。為解決施工裂縫引起的滲流和穩(wěn)定問(wèn)題，需對(duì)堤身進(jìn)行防滲加固處理。采用大堤面以下10 m范圍內(nèi)單排、10 m以上雙排的深層攪拌樁加固方案，樁體深度達(dá)到隧道洞身一半以下2 m。改變模型中堤頂裂縫深度，分析不同裂縫深度對(duì)堤防滲流性態(tài)的影響，滲流計(jì)算工況如表2所示(工況C-2～C-6布設(shè)深層攪拌樁，工況C-1和C-7無(wú)深層攪拌樁)。基于等效處理方法[16]，將堤頂裂縫假定為具有高滲透系數(shù)(103cm/s)的等效連續(xù)滲透介質(zhì)。

3 結(jié)果與分析

堤防浸潤(rùn)面選取滲流穩(wěn)定分析中相應(yīng)工況計(jì)算得到的穩(wěn)定浸潤(rùn)面，分別調(diào)整模型中堤頂中部和背水坡旁的裂縫深度，模擬不同深度裂縫工況。邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況如表3所示(工況S-1～S-9無(wú)深層攪拌樁，工況S-10和S-11布設(shè)深層攪拌樁)。

3.1 滲流計(jì)算結(jié)果

堤防滲流出逸坡降、堤身最大滲透坡降及堤身單寬流量等滲流成果如表4所示，其中，堤身單寬流量是指計(jì)算模型深度范圍內(nèi)沿大堤軸線單寬平均流量，堤基最大滲透坡降發(fā)生在粉質(zhì)黏土層，其規(guī)范允許值為0.45；堤身最大滲透坡降發(fā)生在黏土層，其規(guī)范允許值為0.40；堤防滲流在背水坡素填土層出逸，其規(guī)范允許值為0.35。工況C-6堤防地下水位等值線分布如圖2所示。由圖2可知，堤防整體滲流場(chǎng)位勢(shì)分布較為明確，地下水位等值線分布規(guī)律清晰，大部分等值線自上游向下游均勻分布，深層攪拌樁內(nèi)的位勢(shì)等值線明顯密集，浸潤(rùn)面明顯降低，消減水頭作用明顯。

不同裂縫深度工況下y= 60 m斷面和裂縫處水頭等值線分別如圖3和圖4所示，不同裂縫深度工況下位勢(shì)等值線上升較為均勻，在裂縫處發(fā)生突變，凸向上游，局部滲透坡降增大，對(duì)此處滲流場(chǎng)造成較大影響，且有可能引起土體發(fā)生滲透破壞，甚至造成裂縫擴(kuò)展或裂縫下游處地層沉降，危害堤防的穩(wěn)定性。

圖3 不同裂縫深度典型工況y= 60 m斷面水頭等值線分布(單位：m)Fig.3 Water head contour distribution of embankment (Section y=60 m) under different crack depths (unit: m)

圖4 不同工況下裂縫處水頭等值線分布(單位：m)Fig.4 Water head contour distribution around the crack under different conditions (unit: m)

當(dāng)?shù)谭涝O(shè)有深層攪拌樁且無(wú)裂縫時(shí)(工況C-2)，堤防單寬流量為6.618 m2/d，當(dāng)裂縫深度分別為5.5 m、6.5 m、7.5 m和8.5 m時(shí)，堤防單寬流量分別增大3.45%、4.50%、6.00%和7.98%。隨著裂縫深度的不斷增加，堤防單寬流量不斷增大。由工況C-1和C-2對(duì)比可知，經(jīng)深層攪拌樁防滲加固處理后，堤防單寬流量減少了11.18%，出逸坡降和最大滲透坡降分別降低了58.48%和9.13%，堤基浸潤(rùn)面明顯降低，減小了施工裂縫對(duì)堤防滲漏的影響，且有效削弱了貫穿式裂縫深度對(duì)堤防滲流性態(tài)的影響。

堤防滲流計(jì)算成果見(jiàn)表4。當(dāng)?shù)躺聿荚O(shè)深層攪拌樁且裂縫深度為5.5 ～ 8.5 m時(shí)，堤身最大滲透坡降為0.206，出現(xiàn)在深層攪拌樁上游不遠(yuǎn)處；堤基地層的最大滲透坡降為0.181，出現(xiàn)在堤防裂縫處；背水坡最大出逸坡降為0.075，均小于相應(yīng)地層的允許滲透坡降，能滿足滲透穩(wěn)定要求。當(dāng)?shù)躺聿蛔錾顚訑嚢铇短幚?、裂縫深度達(dá)到11.5 m時(shí)(工況C-7)，堤身最大滲透坡降為0.376，出現(xiàn)在素填土層，大于規(guī)范允許值0.350。結(jié)果表明，當(dāng)貫穿式裂縫深度超過(guò)11.5 m時(shí)，若不進(jìn)行深層攪拌樁防滲加固處理，堤防易發(fā)生滲透破壞。

3.2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

典型工況及不同裂縫位置和深度工況下堤坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面分別如圖5和圖6所示，可見(jiàn)不同裂縫位置和深度工況下，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面滑移方向均從上游滑向下游，且隨著裂縫的加深，滑弧也向深處延伸，滑移面積增大，對(duì)周圍結(jié)構(gòu)造成較大影響，使附近土體發(fā)生滑坡或塌陷，危害堤防的穩(wěn)定性。

圖5 典型工況下堤防最危險(xiǎn)滑動(dòng)面示意圖(單位：m)Fig.5 Most dangerous sliding surfaces of the embankment under typical conditions (unit: m)

圖6 不同裂縫位置和深度工況下堤防最危險(xiǎn)滑動(dòng)面(單位：m)Fig.6 Most dangerous sliding surfaces of the embankment under different crack locations and depths(unit: m)

圖7 不同裂縫位置情況下堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值Fig.7 Safety factors of anti-sliding stability of embankment slope under different crack positions

當(dāng)?shù)谭罒o(wú)裂縫時(shí)，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面主要位于背水坡處；堤頂出現(xiàn)貫穿式裂縫后，裂縫深度大于背水坡高度，在穩(wěn)定滲流場(chǎng)作用下，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面出現(xiàn)在裂縫上游側(cè)，滑動(dòng)面深度與裂縫深度相近。裂縫的存在影響了滑動(dòng)面的分布，由堤坡上移至堤頂，使較為穩(wěn)定的堤頂易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

該長(zhǎng)江隧道穿越段堤防屬于2級(jí)堤防工程，采用瑞典圓弧法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，正常運(yùn)用條件下，該堤坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.250[17]。堤坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果如表5所示(允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.250)，工況S-1的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.303，遠(yuǎn)大于允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.250，且安全富余量較大，說(shuō)明無(wú)裂縫工況下堤坡比較穩(wěn)定。

圖7為不同裂縫位置情況下堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值。由表5和圖7可知，當(dāng)不存在堤身裂縫時(shí)，堤坡抗滑穩(wěn)定；當(dāng)背水坡旁的裂縫深度分別為5.5 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m時(shí)，其堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別降低了58.76%、63.82%、65.40%、和69.97%；當(dāng)裂縫位置在堤頂中部、裂縫深度分別為5.5 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m時(shí)對(duì)應(yīng)的堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別降低了67.45%、67.85、68.85%和71.54%。計(jì)算成果表明：

a.不同位置的裂縫對(duì)堤防抗滑穩(wěn)定有一定影響。當(dāng)裂縫位于堤頂中部時(shí)，相同裂縫深度下，較背水坡旁危害性更大。

b.裂縫深度對(duì)堤坡抗滑穩(wěn)定影響顯著，當(dāng)裂縫位于堤頂中部、裂縫深度大于5.5 m時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.075，不滿足規(guī)范要求。當(dāng)裂縫位于背水坡旁、裂縫深度大于6.17 m時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小1.250，不滿足規(guī)范要求。

c.分別對(duì)比工況S-5和S-10、工況S-9和S-11可知，當(dāng)裂縫位于背水坡旁且深度為8.5 m時(shí)，經(jīng)深層攪拌樁加固處理后其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)從0.992提高至2.419；當(dāng)裂縫位于堤頂中部且深度為8.5 m時(shí)，經(jīng)深層攪拌樁加固處理后其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)從0.940增大至1.844，說(shuō)明深層攪拌樁對(duì)于堤防抗滑穩(wěn)定性的提升效果顯著。

表5 堤坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

4 結(jié) 論

a.堤頂貫穿式裂縫對(duì)堤防滲流場(chǎng)的影響較為明顯。當(dāng)?shù)添斬灤┦搅芽p深度變化后，此處水頭等值線發(fā)生突變，局部滲透坡降增大，堤防單寬流量增大，對(duì)此處滲流場(chǎng)影響較大。當(dāng)裂縫深度為5.5 ～ 8.5 m時(shí)，出逸坡降與堤身最大滲透坡降均小于相應(yīng)土體的允許滲透坡降，滿足滲透穩(wěn)定要求。

b.堤頂貫穿式裂縫對(duì)堤防抗滑穩(wěn)定具有一定的影響。當(dāng)裂縫位于堤頂中部時(shí)，相同裂縫深度下，較背水坡旁危害性更大。當(dāng)裂縫位于堤頂中部、裂縫深度大于5.5 m時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.075，不滿足規(guī)范要求。當(dāng)裂縫位于背水坡旁、裂縫深度大于6.17 m時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.250，不滿足規(guī)范要求。

c.深層攪拌樁改善堤防滲流場(chǎng)與加固堤坡抗滑穩(wěn)定作用顯著。經(jīng)深層攪拌樁防滲加固處理后，堤基浸潤(rùn)面明顯降低，滲透坡降與堤防單寬流量減小，減小了施工裂縫對(duì)堤防滲漏的影響。當(dāng)裂縫深度為8.5 m時(shí)，經(jīng)深層攪拌樁加固處理后，裂縫位于背水坡旁和堤頂中部的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別從0.992、0.940增大至2.419、1.844，深層攪拌樁提高堤防抗滑穩(wěn)定效果顯著。