錨碇圍堰穩(wěn)定性分析

吳合良，曹　偉

(湖南省大岳高速洞庭湖大橋建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 岳陽　414000)

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錨碇圍堰穩(wěn)定性分析

吳合良，曹偉

(湖南省大岳高速洞庭湖大橋建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 岳陽414000)

設(shè)計(jì)了大岳高速洞庭湖大橋錨碇施工圍堰，為確保圍堰的穩(wěn)定性，同時(shí)采用瑞典圓弧法和畢肖普法對(duì)該圍堰在常水位、洪水位和水位快速下降3種工況進(jìn)行了抗滑穩(wěn)定性分析，得到了抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。分析結(jié)果表明，各工況下穩(wěn)定安全系數(shù)均可滿足規(guī)范要求，最小穩(wěn)定安全系數(shù)出現(xiàn)在洪水迅速下降的工況。

；橋梁施工；圍堰；穩(wěn)定性；安全系數(shù)

岳陽洞庭湖大橋是臨岳高速公路全線的控制性工程，橋位位于洞庭湖入長江交匯口處岳陽市七里山，走向東起岳陽，西接君山，主梁跨徑組合為：1 480 m+453.6 m。兩岸錨碇為重力式錨碇，基礎(chǔ)為支護(hù)開挖深埋擴(kuò)大基礎(chǔ)，鑒于錨碇基礎(chǔ)施工期間洪水影響，擬采用填土圍堰進(jìn)行圍護(hù)施工。

1　圍堰設(shè)計(jì)

君山岸錨碇施工區(qū)域平均標(biāo)高27.0 m，枯水位標(biāo)高為26.94 m，施工水位按照5 a一遇控制，施工洪水位為31.58 m，考慮洪水影響，圍堰頂標(biāo)高設(shè)計(jì)為+32 m。圍堰高5 m，頂面寬3.5 m，圍堰底面寬約18.5 m，設(shè)計(jì)頂標(biāo)高為+32.0 m，內(nèi)外邊坡均按照1∶1坡度放坡。圍堰外邊坡采用階梯狀形式。外邊坡底端設(shè)置1 m高、50 cm厚擋墻，外邊坡進(jìn)行鋪設(shè)土工布，其上堆積袋裝水泥土防護(hù)。內(nèi)邊坡進(jìn)行植草防護(hù)。圍堰由上向下結(jié)構(gòu)依次為20 cm C30水泥混凝土路面、10 cm砂墊層、50 cm碎石層、粘土路基，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　圍堰斷面圖(單位；cm)

2　圍堰穩(wěn)定性分析

圍堰雖為臨時(shí)構(gòu)筑物，但其安全性不容忽視。圍堰的邊坡穩(wěn)定是安全控制的關(guān)鍵性問題，也是近年來的研究熱點(diǎn)。鄔攀[1]探討了邊坡失穩(wěn)判據(jù)的3種方法，利用極限平衡法求出邊坡的安全系數(shù)，利用有限元技術(shù)進(jìn)行了邊坡折減強(qiáng)度計(jì)算，得出了邊坡的安全系數(shù)及潛在的滑動(dòng)面。嚴(yán)新軍等[2]針對(duì)高邊坡形成和開挖的特點(diǎn)，采用分層加載法模擬其初始應(yīng)力場的形成過程，并用移除單元法模擬先期巖層開挖過程。運(yùn)用溫控參數(shù)強(qiáng)度折減有限元法計(jì)算高邊坡在滲流、地震等荷載作用下，給定巖體有、無初始應(yīng)力的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。羅立哲等[3]基于圍堰施工過程中堰體應(yīng)力及滲流狀態(tài)變化規(guī)律分析和土石材料力學(xué)非線性理論，建立考慮施工過程的土石圍堰邊坡穩(wěn)定分析模型，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行高土石圍堰施工-運(yùn)行過程邊坡穩(wěn)定特性分析。徐林春等[4]針對(duì)單一土層邊坡，選取了邊坡體坡度、土體材料的天然容重、凝聚力和內(nèi)摩擦角4個(gè)主要影響因素，采用Bishop的邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算方法探討了邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在臨水坡有水和無水狀態(tài)下與每個(gè)因素之間的響應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)《水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL645-2013)[5]表4.0.1可知，該圍堰應(yīng)按5級(jí)圍堰分析。根據(jù)城陵磯水文站觀測記錄，圍堰所處位置的常水位標(biāo)高為+17～+32 m。由于2003年三峽大壩合龍，2006年三峽開始蓄水，對(duì)長江中下游的防洪起到了較大的改善作用，根據(jù)收集到的2003年～2012年10 a期間城陵磯站的水文資料，最高水位為+27.32～+31.68 m，通常豐水期在7～8月。錨碇及主塔位置汛期多被洪水淹沒。

由于土圍堰滲透系數(shù)小，迎水面設(shè)有土工布擋水，且洪水期一般不超過3個(gè)月，在計(jì)算時(shí)可不考慮滲流影響，而采用飽和抗剪總應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)[6]，土石圍堰堰坡及覆蓋層地基的抗滑穩(wěn)定性宜按單一安全系數(shù)剛體極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，抗滑穩(wěn)定性采用瑞典圓弧法或畢肖普法時(shí)，土石圍堰的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足表1中非正常運(yùn)行條件Ⅰ的相關(guān)規(guī)定。計(jì)算對(duì)象主要為施工期設(shè)計(jì)洪水位下臨、背水邊坡一集水位驟降期的臨水邊坡。

表1 土堤邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)堤防工程級(jí)別安全系數(shù)瑞典圓弧法簡化畢肖普法正常運(yùn)用條件非正常運(yùn)用條件ⅠⅡ正常運(yùn)用條件非正常運(yùn)用條件ⅠⅡ11.301.201.101.501.301.2021.251.151.051.351.251.1531.201.101.051.301.201.1541.151.051.001.251.151.1051.101.051.001.201.101.05

2.1圍堰平面位置及斷面尺寸

該圍堰內(nèi)側(cè)坡腳離地連墻邊緣37 m，其與錨碇基坑間相互影響較小，分析圍堰穩(wěn)定時(shí)，可不計(jì)入基坑影響。土圍堰平面位置見圖2，斷面圖見圖1。圍堰下底層考慮圍堰左右各向外延伸10 m，厚度10 m。

圖2　圍堰平面布置圖

2.2計(jì)算參數(shù)

圍堰及地基抗剪強(qiáng)度參數(shù)均為飽和狀態(tài)下的總應(yīng)力指標(biāo)，采用其進(jìn)行分析已留有一定的安全儲(chǔ)備。由土工試驗(yàn)報(bào)告[7]可知 ，土圍堰填土土粒比重Gs=2.73，含水量w=23.4%，最大干密度ρmax=1 450 kg/m3，圍堰填土壓實(shí)度K=0.8，計(jì)算可得干密度ρd=1 232 kg/m3，孔隙比e=1.216，天然密度ρ=1 520.3 kg/m3，飽和密度ρsat=1 780.7 kg/m3。

由錨碇詳勘及補(bǔ)勘各鉆孔柱狀圖可知：地基表層2～3 m范圍內(nèi)為種植土及粘土，由于勘察報(bào)告中未給出該層的力學(xué)參數(shù)，偏于安全考慮，計(jì)算中將其等同于淤泥質(zhì)粘土考慮。見表2。

為確保圍堰穩(wěn)定性計(jì)算的可靠性，同時(shí)采用規(guī)范規(guī)定的瑞典圓弧法及畢肖普方法進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析。

表2 主要地層與圍堰填料力學(xué)計(jì)算參數(shù)巖土層名稱重度/(kN·m-3)飽和重度/(kN·m-3)壓縮模量/MPa淤泥質(zhì)粘土183.4圍堰填料15.217.813.44泊松比抗剪強(qiáng)度(固結(jié)快剪)凝聚力c/kPa內(nèi)摩擦角ψ/(°)0.425150.323.731.9

2.3計(jì)算工況說明

工況1：圍堰施工完成時(shí)，地下水位高程為20 m。

工況2：地面以上洪水位按最高洪水位+31.58 m考慮，迎水面土工布滲透系數(shù)較低，迎水面作用的荷載包括靜水壓力與波浪力；取波浪力為20 kPa，垂直作用于坡面。通常來說，圍堰內(nèi)會(huì)有施工臨時(shí)堆載，故需考慮圍堰內(nèi)施工堆載的影響，計(jì)算時(shí)假設(shè)堆載為10 kPa。

工況3：水位下降條件下圍堰穩(wěn)定狀況。

2.4計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1工況1

1) 背水面計(jì)算結(jié)果。

瑞典圓弧法見圖3。畢肖普法見圖4。

圖3　瑞典圓弧法背水面計(jì)算結(jié)果

圖4　畢肖普法背水面計(jì)算結(jié)果

2) 臨水面計(jì)算結(jié)果。

瑞典圓弧法見圖5。畢肖普法見圖6。

圖5　瑞典圓弧法臨水面計(jì)算結(jié)果

圖6　畢肖普法臨水面計(jì)算結(jié)果

2.4.2工況2

1) 背水面計(jì)算結(jié)果。

瑞典圓弧法見圖7。畢肖普法見圖8。

圖7　瑞典圓弧法背水面計(jì)算結(jié)果

圖8　畢肖普法背水面計(jì)算結(jié)果

2) 臨水面計(jì)算結(jié)果。

瑞典圓弧法見圖9。畢肖普法見圖10。

圖9　瑞典圓弧法臨水面計(jì)算結(jié)果

圖10　畢肖普法臨水面計(jì)算結(jié)果

3) 圍堰內(nèi)堆載背水面計(jì)算結(jié)果。

瑞典圓弧法見圖11。畢肖普法見圖12。

圖11　有堆載瑞典圓弧法背水面計(jì)算結(jié)果

圖12　有堆載畢肖普法背水面計(jì)算結(jié)果

2.4.3工況3

1) 臨水面計(jì)算結(jié)果。

瑞典圓弧法見圖13。畢肖普法見圖14。

圖13　瑞典圓弧法臨水面計(jì)算結(jié)果

圖14　畢肖普法臨水面計(jì)算結(jié)果

從表3、表4可以看出，同一工況下，采用瑞典圓弧法要比畢肖普法計(jì)算出的安全穩(wěn)定系數(shù)小，背水面的安全穩(wěn)定系數(shù)要小于臨水面。隨著水位的升高，背水面安全穩(wěn)定系數(shù)有所減小，臨水面安全穩(wěn)定系數(shù)增加明顯，當(dāng)達(dá)到洪水位時(shí)，背水面安全穩(wěn)定系數(shù)較小，而臨水面安全穩(wěn)定系數(shù)較大，圍堰內(nèi)施工堆載對(duì)圍堰穩(wěn)定性的提高有一定幫助。最小穩(wěn)定安全系數(shù)出現(xiàn)在洪水迅速下降的工況。

表3 計(jì)算結(jié)果工況計(jì)算面計(jì)算方法抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)備注工況1背水面瑞典圓弧法1.406畢肖普法1.457臨水面瑞典圓弧法1.577畢肖普法1.786工況2背水面瑞典圓弧法1.25畢肖普法1.419臨水面瑞典圓弧法2.622畢肖普法3.223圍堰內(nèi)無堆載背水面瑞典圓弧法1.365畢肖普法1.592圍堰內(nèi)有堆載工況3臨水面瑞典圓弧法1.203畢肖普法1.435

表4 洪水位與常水位穩(wěn)定系數(shù)比較計(jì)算面計(jì)算方法洪水位-常水位洪水位/常水位背水面瑞典圓弧法-0.1560.889畢肖普法-0.0380.974臨水面瑞典圓弧法1.045(無堆載)1.663畢肖普法1.437(無堆載)1.805

3　結(jié)語

各工況圍堰穩(wěn)定性分析表明，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)均可滿足規(guī)范要求。鑒于防洪與防降雨需要，施工過程中對(duì)土圍堰采取適當(dāng)?shù)淖o(hù)面措施十分必要。同時(shí)，豐水期施工應(yīng)加強(qiáng)圍堰變形監(jiān)測并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

[1]鄔攀.滲流作用下邊坡穩(wěn)定性分析[D].廣州：暨南大學(xué)，2012.

[2]嚴(yán)新軍，歐陽君，徐千軍，等.考慮初始應(yīng)力場的強(qiáng)度折減有限元法高邊坡穩(wěn)定分析[J].水力發(fā)電，2010(5)：24-26.

[3]羅立哲，胡志根，劉全，等.高土石圍堰施工-運(yùn)行過程邊坡穩(wěn)定性分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2013，46(1)：84-88.

[4]徐林春，趙明登，黃東，等.單一土層邊坡抗滑穩(wěn)定的影響因素分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2015(7)：142-145.

[5]SL 645-2013，水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

[7]湖南省水利水電工程質(zhì)量檢測中心有限公司.大岳高速洞庭湖大橋A2標(biāo)土工試驗(yàn)報(bào)告(委00077299(2013)1059)[R].

2016-04-08

吳合良(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事橋梁建設(shè)管理工作。

；1008-844X(2016)03-0154-05

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