豐城市羅湖堤軟土堤基固結沉降預測的數值仿真研究

謝麗洪

(豐城市河道堤防管理局，江西 宜春 331100)

1 項目概況

羅湖堤的圩堤起始端位于泥塘水庫，總長度為8.838 km。作為豐城市的重要堤防，羅湖堤的保護面積約為21 km2，可為0.17萬hm2耕地、2.23萬人提供保護。在經濟持續(xù)發(fā)展的背景下，社會對防洪保安所提出要求較過去有所提高，為保證堤防對經濟發(fā)展所具有作用得到充分發(fā)揮，豐城市計劃對羅湖堤進行除險加固。

鑒于地層巖性所存在差異可知，本項目的堤基結構是雙層結構，堤基下部以砂卵礫石、細砂為主，透水性極強，一旦河水位超過堤區(qū)的地面高度，河水便能夠通過砂性土滲入堤內，隨著滲透壓力的增加，堤基有較大概率出現(xiàn)滲透變形情況，若細砂層破壞程度超出預期，堤基所存在安全問題的嚴重程度將有所加劇，這表明本項目堤基極易出現(xiàn)滲透問題。

2 固結沉降預測理論及方法

2.1 計算理論

固結是指在外力作用影響下松軟土壤出現(xiàn)壓縮和去水情況，進而使自身密實度得到提高的過程，而沉降所描述對象通常為地基，即：受建筑物荷重影響，導致地基出現(xiàn)豎向變形。固結沉降可以簡單地理解為接近飽和土或飽和土受基礎荷載所施加作用力影響，導致孔隙水壓力逐漸消散、骨架變形，進而出現(xiàn)的沉降情況。由此可見，固結沉降速度往往由孔隙水被排出的速度所決定。

本項目計劃以多孔介質模型為依托，利用MATLAB軟件對孔隙水壓力逐步消散以及堤基固結沉降的過程進行模擬，該模型的微分控制方程如式(1)：

(1)

(2)

式中：k為多孔介質所對應滲透矩陣；εi i為多孔介質所對應骨架體積實際應變；n為土體孔隙率；Kf為流體當前體積模量。

2.2 計算方法

對羅湖堤土方進行加載計算時，研究人員計劃借助單元生死對填筑堤身的速度加以控制，假設在土方加載過程中，堤身填筑始終處于均勻上升狀態(tài)，仿真計算的全周期定為50年，對土方加載期進行計算的步長定為1 d。待土方加載作業(yè)告一段落，受堤身自重影響，其沉降速度將呈現(xiàn)出逐漸減緩的趨勢，此時，為保證計算資源得到充分利用，可酌情加大步長，以此來達到對沉降速度進行有效控制的目的[1]。

受長期重力作用影響，堤基沉降已趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，鑒于此，為保證仿真計算所得結果具有實際意義，應選擇先通過計算地應力平衡的方式，將初始沉降給堤基所產生影響完全消除，再對土方加載過程中，孔隙水壓力和堤身填筑壓力進行計算。將堤身表面作為本項目的排水邊界，在堤基的底邊和兩側對不排水邊界進行設置，借助迭代計算方法完成后續(xù)計算。

3 建模并選取預測仿真參數

3.1 建立模型

對堤基進行取值的范圍是上游100 m～下游100 m，實地勘探結果表明，堤基深度在60 m左右。研究人員決定在堤頂左側對坐標原點進行設置，將模型所包含單元組數量設定為5個、單元數量設定為3580個、單元節(jié)點數量設定為3710個。滲流計算分區(qū)如圖1所示。

圖1 滲流計算分區(qū)

3.2 選取參數

3.2.1 滲漏情況

對于曾出現(xiàn)滲漏險情、堤基有淤泥軟弱夾層且存在滑動可能性的堤段，應分別在臨湖堤、臨河堤對代表段進行選擇，羅湖堤滲漏險段情況如表1所示。對于莼湖堤、河堤且圩堤長度在10 km以上的圩堤，通常需要對2個代表段進行布置，10 km 以內圩堤只需對1個代表段進行布置。各代表段所布置觀測斷面數量以2～3個為宜，同時，各斷面需對3個位移標點進行布設，在穩(wěn)定區(qū)域對水準基點、起測基點進行設置，上述基點的數量均為1個[2]。鑒于此，最終決定將本項目的代表性斷面設為1+000、3+000、5+500，在上述代表性斷面對6個觀測基點和9個位移標點進行設置。

表1 羅湖堤滲漏險段情況

堤身填土的獲取途徑為堤外地表及堤內地表，0+000～1+450段堤身單薄且低矮，汛期較易出現(xiàn)漫頂及漏水問題，在防洪方面的表現(xiàn)難以達到預期。1+450～7+750段堤身土質不均且整體質量較差，局部有泥質夾層存在，整體填筑質量未能達到預期，堤身土多為粉砂土，但經過數年的固結運行，其穩(wěn)定性較運行初期有顯著改善。7+500～8+838段堤身的填筑質量及土質一般，粉質黏土占比較大，研究表明，該堤段的透水性微弱，在防滲性方面的表現(xiàn)較其他堤段更為突出。

3.2.2 確定參數

對土層力學參數進行選取的原則如下：

(1)在確定天然狀態(tài)相關指標時，可根據算術平均值，對孔隙、含水量和飽和度等指標進行取值。

(2)在確定力學指標時，內摩擦角及凝聚力的取值應為統(tǒng)計小值的平均數。壓縮系數的取值應為統(tǒng)計大值的平均數。

(3)在確定堤基滲透系數時，以鉆孔注水試驗、土工試驗、現(xiàn)場土體土芯相關數值為依據，保證所確定滲透系數符合實際情況。

(4)在確定土層滲透比降指標時，應將有關部門針對水利水電工程所出臺地質勘察規(guī)范作為主要依據，根據現(xiàn)場土層所表現(xiàn)出特點，通過計算的方式得出相應結論。對本項目而言，粉質黏土對應滲透變形類型是流土型，粗砂層所對應類型則是管涌型。

(5)在確定土體力學指標時，若統(tǒng)計組數量達到6組以上，有效統(tǒng)計組數和整體組數大致相同，可利用上文所提到選取力學指標的方法加以確定，如果統(tǒng)計組數量未達到6組或有效統(tǒng)計組數、整體組數間存在明顯差異，則要求以現(xiàn)場情況為依據，參考現(xiàn)有資料，以工程類比為依據對相關數值加以確定。

(6)在確定巖土力學指標時，將土工試驗所得結果作為主要依據，綜合考慮動力觸探試驗及標貫試驗所得結果，通過類比分析的方式，得出最終結論[3]。

以現(xiàn)場勘探所掌握信息為依據，可將羅湖堤的堤基土分為粗粒土、內巖土、特殊土及黏性土，整體結構為雙層結構，其中，局部區(qū)域為單一結構。在堤基上部均勻分布著壤土和黏土，具有良好的連續(xù)性以及力學性質，可作為堤基持力層而存在，同時滿足社會對堤防荷載所提出要求。局部區(qū)域存在淤泥黏土，在荷載固結的影響下，通常不會出現(xiàn)沉降變形可能，本項目堤基土層參數如表2。

表2 羅湖堤巖土層參數建議值

本項目對堤基進行加固的方法為加設排水板，排水板材質為塑料，長度為20 m，相鄰排水板的間隔為1.4 m，其作用主要是對土體排水距離進行縮短，通過加快排水速度的方式，使堤基得到固結，在土體滲漏系數增加的情況下，該方法同樣能夠起到加速排水和固結的效果。隨后，基于固結度等效原理展開分析，先確定等效滲透系數，再對加固堤基進行簡化，得到具有較大滲透系數的天然堤基數據，在此基礎上，結合相關數值進行仿真計算并得出最終結果。

4 固結沉降仿真結果討論

4.1 堤基沉降分析

對本項目堤身進行土方加載的時間共18個月，在此期間堤身土方均處于勻速填筑上升狀態(tài)，堤頂中心線和建基面相交區(qū)域的沉降情況較為典型，在堤身填筑結束后的50年內，對本項目固結沉降狀況進行描述的如圖2所示。

圖2 地基固結沉降云

在加載結束的第1年、第5年、第10年和第50年，分別對堤基典型點進行研究，由此來獲取相應固結沉降值，具體結果如表3。

表3 各典型點沉降程度 m

由鉆孔所揭露結果可知，本項目沿線堤基土層無軟弱夾層存在，土工試驗結果表明，本項目堤基土層以細砂、砂卵礫石和粉質黏土為主，上述土層埋藏深度較深，經數年荷載壓實已達到固結水準，其力學性能改善明顯，由此可得出“除特殊情況外，堤基均無沉降變形問題存在”的結論。而仿真計算結果表明，堤頂中心線和建基面相交區(qū)域的堤基，其沉降程度較其他區(qū)域堤基更大，沉降速度遵循先快后慢的規(guī)律，中間部位變形速度較兩側更大，待土方加載環(huán)節(jié)告一段落，該典型點的殘余變形在0.14 m左右，約為沉降總值的7%，加載結束的第10年，羅湖堤的堤基沉降能夠達到約100%，表明沉降和固結排水均已完成，此時，堤基狀況較初期更加穩(wěn)定[4]。

4.2 固結沉降數值對比

結合現(xiàn)場監(jiān)測所掌握數據可知，利用本文所采取方法進行仿真計算所得固結沉降數值及發(fā)展規(guī)律，基本與現(xiàn)場監(jiān)測數據相同，在固結沉降期間采取不同方法所獲得數值無明顯差異，具有較高的吻合度。由此可見，以仿真計算所得數值為依據，對堤基固結沉降進行預測，其結果具有實際意義。

4.3 防止?jié)B透破壞方法

對本項目而言，要想杜絕滲漏情況發(fā)生，施工人員可采取以下方法：一是水平壓蓋。該方法強調通過延長滲徑的方式，使?jié)B透出逸坡降得到有力控制，在具體施工中，要求施工人員以實際情況為依據，結合滲流計算結果判斷導致滲透破壞及相關問題出現(xiàn)的原因。本項目出現(xiàn)上述問題的原因，主要是堤外及堤內所分布取土坑和水塘，導致堤基黏性土所具有完整性被破壞，滲透破壞隨之出現(xiàn)，一旦外河水位在汛期大幅提高，便會誘發(fā)流土及管涌險情。出于對滲徑進行延長、使?jié)B透出逸坡降得到顯著降低的考慮，結合所積累經驗提出對背水側進行水平壓蓋的建議，此舉既能夠取得良好的防滲效果，又可使內坡穩(wěn)定性及抗滑性得到顯著提升。但要明確一點，該方法僅能解決局部區(qū)域出現(xiàn)的滲透問題，而無法使地下水壓力得到控制，對于透水性極強或地質條件不理想的堤段而言，該方法所能取得效果十分有限。二是排滲減壓。在堤內適當區(qū)域對減壓排水溝或減壓井進行修建，保證基礎承壓水可通過減壓排水溝或減壓井排出，隨著基礎承壓水頭得到降低，滲透破壞問題自然迎刃而解。該方法的優(yōu)點是施工簡單且成本低廉，但后期需要投入較多精力進行維護，要求工作人員定期更換排水反濾，以免由于排水反濾阻塞，導致減壓排水溝或減壓井無法正常運行。

5 結 論

本文以多孔介質模型為基礎，針對堤基、圩堤所存在相互作用，對相應的有限模型進行了建立。重點考慮土體變形受孔隙水壓力影響，通過新增排水帶的方式，對孔隙水壓力的消散過程進行模擬，保證堤基固結沉降所遵循規(guī)律可得到直觀展示。分析堤防檢測器所提供固結沉降數據和仿真數據，得出“利用仿真計算結果預測固結沉降的準確度可達到行業(yè)要求”的結論，表明本文所得研究成果可為類似項目的施工和運行提供參考。