土石圍堰安全分析及其除險加固措施研究

胡崢嶸，池麗敏，閆園園

（南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇南京210006）

土石圍堰安全分析及其除險加固措施研究

胡崢嶸，池麗敏，閆園園

（南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇南京210006）

圍堰是保證涉水工程干地施工的重要建筑物。在水力等外界因素作用下，其運行機制復雜。為有效反映滲流作用對圍堰安全的影響，以某碼頭工程的圍堰為例，對其安全性進行數(shù)值模擬。通過對圍堰滲流場和應力場進行耦合分析和研究，計算其應力、位移、安全系數(shù)等相關參數(shù)。研究表明，流固耦合作用的計算結(jié)果有利于保證圍堰的設計安全。

圍堰；滲流；流固耦合；除險加固；數(shù)值模擬

0 引言

圍堰是保證涉水工程干地施工所建的臨時性擋水建筑物，其安全問題關乎著主體工程的施工進度和施工安全。由于圍堰失穩(wěn)大多與滲流有關，因而防滲處理值得關注。目前，工程中圍堰的設計計算都將滲流場和應力場分開。但是，在應力場、滲流場等多場并存的復雜環(huán)境中，由于各場間相互影響、相互作用，致使圍堰的運行機制復雜。因此，對圍堰進行穩(wěn)定分析時，考慮流固耦合作用是很有必要的。羅曉輝基于基坑穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流的數(shù)值分析，對基坑開挖過程中滲流場的變化規(guī)律以及對應力場產(chǎn)生的影響進行了探討［1］。徐則民等論述了滲流場與應力場耦合分析的基本原理及其在邊坡穩(wěn)定性評價中應用的理論基礎和技術路線［2］。程彬、盧靖等人采用軟件Geostudio中的Seep和Sigma兩個模塊對陜西府谷縣清水川電廠邊坡進行耦合與非耦合分析，并根據(jù)應力場、邊坡穩(wěn)定性的差異，得出耦合分析下更符合實際的結(jié)果［3］。本文以某碼頭工程圍堰為例，分析計算流固耦合作用下該圍堰的應力、變形等參數(shù)，提出了除險加固措施，評估加固效果。

1 流固耦合的基本原理

1.1 本構模型

1993年，F(xiàn)redlund和Rahardjio將非飽和土體的二維本構模型的應力應變關系表示成公式（1），也可表示成增量應力應變形式，如公式（2）所示［4］。

式中：τ為剪應力；ε為法向應變；σ為法向應力；υ為泊松比；γ為剪應變；H為與基質(zhì)吸力（uauw）有關的非飽和土模量；E為彈性模量；D為本構矩陣；

根據(jù)虛功原理，內(nèi)虛功等于外虛功，則存在式（3）所示的關系式。

1.2 滲流方程

對于單元土體，根據(jù)達西定律，滲流方程表示成公式（4）。

式中：kx、ky分別為x和y方向的滲透系數(shù)；υw為滲透速度；γw為水的重度；θw為單位體積含水量；t為時間。

對單元土體進行有限元分析，可得到一個包含增量孔隙水壓力的滲流方程，如公式（5）所示［5］。

對式（2）、式（3）和式（5）聯(lián)立求解，即實現(xiàn)耦合分析。在Geostudio中，流固耦合的實質(zhì)是以比奧固結(jié)理論為基礎，用有限元建立的以節(jié)點位移和孔隙水壓力為已知數(shù)，求解應力場和滲流場的方程組［6］。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某工業(yè)園區(qū)通用碼頭工程岸線總長1 910m，在12＃泊位基坑開挖至坑底設計標高（＋4.6m）時，前期的地質(zhì)勘探孔處出現(xiàn)泉眼，數(shù)量較多，進而形成管涌，圍堰發(fā)生滲透破壞，基坑被水淹沒，其計算斷面如圖1所示。

該圍堰從上到下依次分為5層，根據(jù)工程勘察報告，各土層材料參數(shù)如表1所示。

圖1 圍堰計算斷面（單位：m）Fig.1 Cofferdam calculation section（Unit:m）

表1 各土層材料參數(shù)表Tab.1 Soil layer material parameter

2.2 計算模型的邊界條件

模型計算時，左右側(cè)邊界為法向支座約束，最底部邊界采用固定約束，頂部為自由邊界。

2.3 流固耦合計算流程

流固耦合的實現(xiàn)過程為：利用Seep／w模塊進行初始孔隙水壓力計算，并將結(jié)果導入到sigma模塊，計算初始應力場。然后，根據(jù)初始孔隙水壓力和初始應力，計算滲流場與應力場耦合，并將得到的結(jié)果導入下一步的耦合分析中。如此重復計算，即可得到每一步的計算結(jié)果。具體計算流程如圖2所示。

2.4 滲流分析

一般認為，基坑底面的水力坡降對坑底抗?jié)B穩(wěn)定有關鍵性影響［7］。該工程滲流計算結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，圍堰下游坡腳處的水力梯度較大，為0.241，是基坑最易發(fā)生滲透破壞的部位，且坡腳處滲流流速較大。參考文獻，管涌型土的臨界水力梯度可按公式（6）計算［8］。

圖2 流固耦合計算流程圖Fig.2 Fluid-structure interaction calculation flow

式中：GS為土體比重；n為土的孔隙率；d5、d20分別為小于該粒徑的土粒含量，分別為5%和20%。

根據(jù)式（6），計算出粉沙土層的臨界水力梯度為0.139。因此，可以判斷圍堰后基坑會發(fā)生管涌，影響施工進度及安全。

2.5 應力分析

圖3 滲流計算結(jié)果Fig.3 Seepage calculation results

圖4 圍堰下游水力坡度Fig.4 Cofferdam downstream hydraulic slope

圖6 耦合作用下剪應力（單位：kPa）Fig.6 Shear stress under coupling（Unit:kPa）

圖5和圖6分別為流固耦合及非耦合作用下圍堰剪應力變化云圖。由圖5和圖6可知，耦合作用下和整體剪應力大于非耦合作用下的整體剪應力。這說明，邊坡因滲流作用產(chǎn)生的最大剪應力比靜水壓力作用產(chǎn)生的最大剪應力要大，邊坡在滲流作用下，因剪切應力增大，更容易產(chǎn)生剪切破壞。

2.6 變形分析

圖7和圖8分別為流固耦合及非耦合作用下圍堰剪位移變化云圖。由圖7和圖8可知，耦合作用下的整體位移大于非耦合作用下的整體位移。這說明，結(jié)構計算時考慮滲流作用圍堰變形比靜水壓力作用產(chǎn)生的位移要大。

圖7 無耦合下總位移（單位：m）Fig.7 The total disp lacem ent under no coup ling（Unit:m）

圖8 耦合作用下總位移（單位：m）Fig.8 The total disp lacement under coup ling（Unit:m）

2.7 穩(wěn)定分析

圖9和圖10分別為流固耦合及非耦合作用下圍堰邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果。由上述分析可知，考慮流固耦合作用，圍堰整體應力和變形增大，更容易產(chǎn)生破壞，因此安全系數(shù)降低。其主要原因是，當水流入土體內(nèi)部時，滑動力增大，使土體性質(zhì)發(fā)生改變，抗剪強度降低。水在這時起到了“潤滑劑”的作用［9］，與前述分析結(jié)論一致。因此，在進行圍堰設計計算時，若合理考慮流固耦合作用，計算結(jié)果有利于保證圍堰加固設計安全。

圖9 無耦合下圍堰邊坡穩(wěn)定分析Fig.9 The slope stability analysis of cofferdam under no coup ling

圖10 耦合作用下圍堰邊坡穩(wěn)定分析Fig.10 The slope stability analysis of cofferdam under coupling

2.8 防滲分析

滲流作用是影響圍堰安全的控制性因素，因此需對該圍堰進行防滲處理。在水頭差的作用下，粉沙土層滲透系數(shù)較大，抗?jié)B性弱，是產(chǎn)生滲透破壞的主要因素。因此，為了阻斷粉細沙層的透水，采用水泥攪拌樁對圍堰進行止水加固。防滲墻加固深度需穿過粉沙層，進入黏土層。由此確定攪拌樁有效樁長12m，單排布置，直徑為700mm。圖11為防滲加固后的滲流計算結(jié)果。由圖11可知，加固后浸潤線降低，坡腳水力梯度明顯減小，最大為0.015，坡腳處滲流流速顯著降低。這表明防滲加固效果較好。

圖11 防滲加固后滲流計算結(jié)果Fig.11 Seepage calcu lation results after reinforcement

3 結(jié)語

（1）利用geostudio實現(xiàn)圍堰滲流、應力變形、邊坡穩(wěn)定的數(shù)值模擬，可及時辨識圍堰的安全性態(tài)。

（2）考慮流固耦合作用對圍堰安全的影響十分合理，計算結(jié)果有利于保證其設計安全。

（3）對防滲加固措施進行數(shù)值模擬，可為加固效果的評估提供科學依據(jù)。

［1］羅曉輝.深基坑開挖滲流與應力耦合分析［J］.工程勘察，1996（6）：37－41.

［2］徐則民，黃潤秋.基于水一力耦合理論的超深隧道圍巖滲透性預測［J］.成都理工學院學報，2001，28（2）.

［3］程彬，盧靖.基于Geostudio的邊坡滲流場與應力場耦合［J］.山西建筑，2010（3），146－147.

［4］萬文.水位循環(huán)升降下庫岸邊坡滲流與應力耦合分析及穩(wěn)定性研究［D］.南昌：南昌大學，2012.

［5］倪梅三，華躍.基于Geostudio的某土石壩穩(wěn)定性流固耦合分析［J］.礦業(yè)快報，2008（2）：23－25.

［6］John Krahn.Seepage Modeling w ith SEEP／W［S］.Canada：EO－SLOPE International，LTD，2004.

［7］陶明星，劉建民.基坑滲流的數(shù)值模擬與分析［J］.工程勘察，2006（1）：23－25.

［8］盧廷浩.土力學［M］.南京：河海大學出版社，2004.

［9］張強勇，李曉靜.紫坪鋪高邊坡穩(wěn)定性的流固耦合計算分析［J］.人民長江，2005，36（11）：45－47.

[責任編輯 楊明慶]

Study on Earth－rock Cofferdam Safety Analysis and Reinforcement Measures

HU Zheng－rong，CHI Li－min；YAN Yuan－yuan
（Nanjing Water Planning and Designing Institute CO.Ltd，Nanjing 210006，Jiangsu，China）

Cofferdam is the important building to ensure the wading engineering performed in the dry land.Under the influence of external factors such as hydraulic power，its running mechanism is complex.In order to effectively reflect the influence of seepage effect on cofferdam safety，this paper takes the cofferdam of some dock project for example，and processes the numerical simulation on its safety.It calculates the related parameters such as stress，displacement and safety coefficient by coupling analysis and research of the cofferdam seepage field and stress field.Study shows that the calculation result of fluid－structure interaction is helpful to ensure the safety of the cofferdam design.

Cofferdam；seepage；fluid－structure interaction；reinforcement

TV551.3

A

10.13681／j.cnki.cn41－1282／tv.2016.04.004

2016-07-17

胡崢嶸(1983-)，女，湖北紅安人，工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構設計。