京杭運河高郵城區(qū)段東側大堤洪水期穩(wěn)定性研究

陶小三，袁寶遠，程 巖，王金艷

（1.江蘇省地震工程研究院，江蘇 南京 210014；2.河海大學，江蘇 南京 210098）

京杭運河高郵城區(qū)段東側大堤洪水期穩(wěn)定性研究

陶小三1，袁寶遠2，程 巖2，王金艷1

（1.江蘇省地震工程研究院，江蘇 南京 210014；2.河海大學，江蘇 南京 210098）

京杭運河高郵城區(qū)段西側為高郵湖，東則為高郵市城區(qū)，高郵湖是座“懸湖”，京杭運河是條“懸河”，防洪形勢嚴峻，京杭運河高郵城區(qū)段東側運河大堤的穩(wěn)定性關系到高郵市及里下河地區(qū)的安全。采用Geo-Studio軟件和FLAC3D有限差分軟件，運用極限平衡法和數(shù)值分析法，通過應力場與滲流場的耦合分析，研究東側運河大堤在洪水期的天然工況、基本地震動地震工況的穩(wěn)定性，有其重要的防災減災意義，以期對地震災害的預防和后果控制有所借鑒。分析結果表明，天然工況下，大堤是安全的；地震工況下，大堤是不安全的，建議后期加固時，采取必要的工程措施。

堤壩穩(wěn)定性；流固耦合；Geo-Studio；FLAC3D；高郵

P315.63

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.002

1674-8565（2017）04-0007-07

江蘇省重大基礎設施安全保障協(xié)同創(chuàng)新專項資金資助項目（2014-07）

2017-05-20

2017-10-07

陶小三（1976-），男，江蘇省南通市人，畢業(yè)于河海大學，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事地震工程等方面的研究工作。E-mail：txs3880@163.com

0 引言

京杭運河世界文化遺產(chǎn)，是世界上最長的古代運河，它溝通海河、黃河、淮河、長江和錢塘江五大水系，全長1747km。京杭運河對中國南北地區(qū)之間的經(jīng)濟、文化發(fā)展與交流，特別是對沿線地區(qū)工農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)的興起起到了推動作用。

京杭運河高郵段在公元前486年開筑，公元前175年形成高郵運鹽河，是隋唐大運河、京杭大運河的一部分，歷經(jīng)多次疏浚、整治，現(xiàn)南北全程長44km（圖1），這也是河面最寬、河床最深的一段。京杭運河高郵城區(qū)段為地上懸河，其西側為高郵湖，東側為高郵市城區(qū)。高郵市由于特有的地理位置，多次飽受洪澇災害之苦。據(jù)史料記載，高郵在1591—1948 年的 357 年間，共發(fā)生 127 次大水災。解放前后，高郵經(jīng)受了 1931年大水、1954 年大水、1991 年大水、2003 年大水等特大災害的襲擊。1931年夏淮河流域暴雨連綿，洪水期間運河大堤26處先后決堤，高郵及里下河各縣盡成澤國，死亡7.7萬多人，受災350萬人，故京杭運河高郵城區(qū)段東側大堤（以下簡稱東側運河大堤）的穩(wěn)定性極其重要。

江河堤壩穩(wěn)定性分析是一項較為復雜的問題，地震作用更是觸發(fā)堤壩失穩(wěn)的重要原因之一。本文利用Geo-Studio軟件和FLAC3D有限差分軟件，基于現(xiàn)場勘探資料，通過應力場與滲流場的耦合分析，研究東側運河大堤在天然工況、基本地震動（50年超越概率10%）靜力工況、基本地震動動力工況的穩(wěn)定性，有重要的防災減災意義，以期對地震災害的預防和后果控制有所借鑒。

圖1 京杭運河高郵段位置圖Fig.1 Location map of Gaoyou section of Beijing Hangzhou canal

1 工程概況

高郵市位于蘇北平原西南緣，為第四系覆蓋區(qū)，第四系沉積厚度約180m，上新世以來形成的沉積物厚度約900m，基巖為古近系粉砂層。高郵市區(qū)及其鄰近地區(qū)地質(zhì)構造比較復雜，分布有多條第四紀活動的斷裂，具備發(fā)生中強破壞性地震的構造條件。2012年7月20日在江蘇高郵、寶應交界發(fā)生了M4.9級地震，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。據(jù)高郵市城區(qū)地震小區(qū)劃研究報告（2016.12），其基本地震動加速度峰值為0.126g，地震烈度為Ⅶ度；地貌單元為高郵—興化瀉湖積平原，地下土層橫向變化較緩。

高郵市地處淮河流域下游、高郵湖畔，高郵湖為江蘇第三大湖泊，淮河水經(jīng)高郵湖南流入長江。京杭運河西側為高郵湖，東側為高郵市城區(qū)，城區(qū)地勢較平坦，高程為2.6～5.5m（黃海高程，下同）。高郵湖最高水位9.52m，京杭運河正常水位8.00m，最高水位9.46m。高郵市城區(qū)地面高程均低于高郵湖和京杭運河的正常水位，高郵湖是座“懸湖”，京杭運河是條“懸河”，防洪形勢嚴峻。西側運河大堤位于高郵湖和運河之間，為國家Ⅰ級堤防；東側運河大堤現(xiàn)為國家Ⅱ級堤防，設防水位為 8.15m，堤高 10.3～11.2m，堤寬 8.0～10.0m。根據(jù)《淮河流域防洪規(guī)劃》，將按照Ⅰ級堤防要求對東側運河大堤進行加固，設防水位為8.15m，堤頂高12.5m、頂寬不小于8.0m。

研究表明[1-5]，水位上升會對堤壩增加單向應力；同時因水的潤滑和滲流作用，會使堤壩潛在滑動面抗剪參數(shù)降低，從而導致堤壩穩(wěn)定性降低；地震作用更易觸發(fā)堤壩失穩(wěn)，故本文研究東側運河大堤在洪水期的天然工況、地震工況的穩(wěn)定性。大洪水和破壞性地震的發(fā)生均為小概率事件，同時發(fā)生其概率更小，故地震工況僅研究基本地震動（50年超越概率10%）時的穩(wěn)定性。地震影響計算方法有擬靜力法、動力時程分析法，擬靜力法基本原理是將復雜的、不斷變化的地震荷載簡化成一個恒定的慣性力系，然后附加在研究對象上；動力時程法是直接將動力時程附加在研究對象上。為保證研究結果的可靠性、實用性，通過現(xiàn)場調(diào)查、堤壩鉆孔勘探、原位測試、土樣室內(nèi)試驗等，本文建立了東側運河大堤二維典型剖面模型（圖2），剖面位置見圖1，以便系統(tǒng)研究大堤在不同條件下的穩(wěn)定性。模型參數(shù)見表1，土體材料參數(shù)見表2、表3，材料1為壩體材料，粘性土層；材料2為可塑粘性土層；材料3為硬塑粘性土層；材料4為便于地震動荷載計算加的輔助硬性層。

圖2 洪水位9.5m模型Fig.2 Model of flood level 9.5 m

表1 模型參數(shù)

表2 材料參數(shù)

表3 土樣動剪切模量、阻尼比與動剪應變的關系

2 基于Geo-Studio軟件堤壩穩(wěn)定性模擬分析

Geo-Studio是一套專業(yè)、高效而且功能強大的適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計算的仿真軟件。 Seep/W是滲流分析模塊，Slope/W是邊坡穩(wěn)定性分析模塊。Slope/W使用極限平衡理論，軟件內(nèi)置多種滑移面搜索方法、孔隙水壓力條件、土體本構以及加固組件和荷載工況等，可以對簡單或復雜的邊坡進行穩(wěn)定性分析，可以進行邊坡失效概率分析、參數(shù)敏感性分析等。

極限平衡法是在一定假設條件下，將土體進行條分，然后對劃分后的土條進行力和力矩分析，從而計算出邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。極限平衡法經(jīng)過大量學者的研究發(fā)展，已成為復雜嚴苛條件下的計算方法[6]。極限平衡計算方法包括Morgenstern-Price、Corps of Engineers 1、Corps of Engineers 2、Lowe-Karafiath、GLE、Spencer、Bishop、Ordinary、Janbu、Sarma等。本文采用Ordinary、Bishop、Janbu及 Morgenstern-Price共4種方法計算堤壩穩(wěn)定性，選取最小的穩(wěn)定性系數(shù)作為堤壩的計算穩(wěn)定性系數(shù)，再比較向河流方向滑動和向地面方向滑動的結果，選擇低值作為對應工況的最終穩(wěn)定性系數(shù)。

計算結果表明，Janbu法得到的穩(wěn)定性系數(shù)最小，其中向地方向的Janbu數(shù)值最小。圖3、圖4分別是模型在天然工況、基本地震動地震靜力工況下，Janbu法計算得出的穩(wěn)定系數(shù)結果圖。天然工況下，堤壩穩(wěn)定性系數(shù)為2.362，大于穩(wěn)定性安全系數(shù)1.35，堤壩是安全的；地震靜力工況下，堤壩穩(wěn)定性系數(shù)為1.563，大于穩(wěn)定性安全系數(shù)1.35，堤壩也是安全的。

表4 模型計算穩(wěn)定性系數(shù)

圖3 天然工況Janbu法穩(wěn)定系數(shù)結果圖Fig.3 Stability coefficient diagram of Janbu method in natural condition

3 基于FLAC軟件堤壩穩(wěn)定性模擬分析

FLAC3D是美國Itasca公司開發(fā)的一種三維顯式有限差分計算軟件，能較好地模擬材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生塑性流動的力學行為，特別適用于分析漸進破壞、失穩(wěn)及模擬大變形問題，現(xiàn)廣泛應用于工程地質(zhì)、巖土力學等領域。

FLAC3D可以采用應力-應變數(shù)值分析和強度折減法來研究邊坡穩(wěn)定性，其中強度折減法只提供一個評價指標，相對比較籠統(tǒng)。強度折減法是通過逐步減小材料的強度，使邊坡達到極限平衡狀態(tài)來實現(xiàn)的，對于Mohr—Coulomb破壞準則來說，其基本原理是將巖土體強度指標c（粘聚力）、φ（內(nèi)摩擦角）值同時除以一個折減系數(shù)F，得到一組新的c’、φ’作為材料新的參數(shù)進行數(shù)值計算，當邊坡巖土體符合給定的臨界破壞狀態(tài)判定條件時，對應的折減系數(shù)F稱為邊坡的最小安全系數(shù)[7]。

圖4 地震工況Janbu法穩(wěn)定系數(shù)結果圖Fig.4 Stability coefficient diagram of Janbu method in Basic ground motion condition

FLAC3D對于邊坡臨界失穩(wěn)或極限平衡狀態(tài)的評判，主要有3類評判方法[8-9]：（1）數(shù)值計算的收斂性。當給定較大的迭代次數(shù)內(nèi)數(shù)值計算無法保證收斂性，表示應力重分布不能滿足巖土體的破壞準則和總體平衡要求，邊坡破壞和數(shù)值計算不收斂同時發(fā)生，伴隨網(wǎng)格節(jié)點位移顯著增加，則可認為邊坡為極限狀態(tài)或破壞狀態(tài)。（2）監(jiān)控剪應變增量云圖或分析位移情況。邊坡的破壞一般是巖土體發(fā)生剪切破壞引起的，巖土體為塑性材料，無法承受太大的應變。FLAC3D中的剪應變增量云圖表征材料發(fā)生塑性變形情況，如果剪應變增量云圖的等值線貫穿整個巖土體，形成塑性貫通區(qū)，則可以判定巖土體發(fā)生破壞；但邊坡是否穩(wěn)定，還需分析變形量的大小。剪應變增量較大（絕對值）的部位，為潛在滑動面，變形破壞多沿此處發(fā)生；剪應變增量較小或基本沒有發(fā)生變化的部位，一般不會產(chǎn)生潛在滑動面，因而也不會產(chǎn)生較大的變形和破壞。此外還可以通過分析模型中各部位的位移情況來判斷是否破壞。如果變形量較大（達到米級別），超出巖土體的承受范圍，則巖土體已發(fā)生破壞；若變形量較小（毫米級別），則巖土體未發(fā)生破壞。（3）當邊坡內(nèi)某點處的變形隨抗剪強度折減系數(shù)F逐漸增大而突然增大時，則可認為邊坡達到了臨界失穩(wěn)狀態(tài)。

總體而言，如果出現(xiàn)下列三種情況之一，則可判定巖土體發(fā)生破壞：（1）數(shù)值計算不收斂；（2）剪應變增量云圖出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，貫穿整個巖土體，且剪應變增量數(shù)值較大；（3）變形量超過巖土體承受范圍。如果數(shù)值計算收斂且出現(xiàn)如下兩種情況之一，則說明巖土體穩(wěn)定：（1）剪應變增量云圖未貫穿整個巖土體；（2）變形量在巖土體可承受范圍之內(nèi)。

3.1 天然工況堤壩穩(wěn)定性分析

因FLAC3D自帶的求臨界折減系數(shù)功能在考慮滲流情況下一般不收斂，故直接手工調(diào)整折減系數(shù)。本構關系采用f1-isotropic滲流模型、Mohr—Coulomb彈塑性模型。圖5為天然工況，在重力及滲流作用下模型剪應變增量云圖（折減系數(shù)為2）。由圖（5）可知，堤壩塑性區(qū)沒有貫通，剪應變增量很小且為局部，故堤壩在此種狀況下是安全的。東側運河大堤在天然工況下，其折減系數(shù)大于2，大于穩(wěn)定性安全系數(shù)1.35，堤壩是安全的。

圖5 天然工況剪應變增量云圖（折減系數(shù)為2）Fig.5 Contour of shear strain increment in natural condition（Reduction factor of 2）

3.2 地震靜力工況堤壩穩(wěn)定性分析

計算重力、滲流再加地震靜力作用下的工況，本構關系采用f1-isotropic滲流模型、Mohr—Coulomb彈塑性模型。施加的地震靜力分向河流水平方向（X負向）和向地面水平方向（X正向），經(jīng)比對，施加X正向等效地震靜力時，模型的變形稍大，故主要分析此種狀況。圖6為折減系數(shù)為1.35時的剪應變增量云圖，大變形計算數(shù)據(jù)收斂，堤壩臨地坡塑性區(qū)已貫通，但貫通區(qū)剪應變增量僅為3e-3；兩壩肩均發(fā)生厘米級的水平位移。圖7為折減系數(shù)為1時的剪應變增量云圖，大變形計算數(shù)據(jù)收斂，兩壩肩發(fā)生厘米級的變形，塑性區(qū)沒有貫通，且壩體內(nèi)部變形量很小。綜合分析可知，地震靜力工況下，堤壩是安全的。

圖6 向地基本地震動靜力工況剪應變增量云圖（折減系數(shù)為1.35）Fig.6 Contour of shear strain increment in the basic seismic static facing the ground direction condition（Reduction factor of 1.35）

圖7 向地基本地震動靜力工況剪應變增量云圖（折減系數(shù)為1）Fig.7 Contour of shear strain increment in the basic seismic static facing the ground direction condition（Reduction factor of 1）

3.3 地震動力工況堤壩穩(wěn)定性分析

FLAC3D可以進行完全的動力分析，本構關系采用f1-isotropic滲流模型、Mohr—Coulomb彈塑性模型；Mohr—Coulomb彈塑性模型為理想彈塑性模型，本文通過FISH語言編程實現(xiàn)剪切模量隨應變的非線性變化。邊界條件采用模型邊界遠置和自由場邊界；阻尼采用瑞利阻尼；水平向地震動力荷載按相關規(guī)范人工造波獲得，并進行了濾波、基線校正。

巖土體在動力作用下，其動抗剪強度會比靜抗剪強度降低，本文采用相應等效地震作用下的動抗剪強度參數(shù)。圖8為輸入加速度時程、地表面(監(jiān)測點遠離壩體和邊界)加速度時程、堤壩壩頂加速度時程圖，地表加速度峰值為0.132g，略大于當?shù)鼗镜卣饎蛹铀俣确逯?.126g；堤壩壩頂加速度峰值為0.220g，二者基本與地震實際情況相符。圖9為動力計算模型剪應變增量云圖，堤壩臨地坡塑性區(qū)已貫通且范圍較大，貫通區(qū)剪應變增量為9e-3，壩肩、兩坡面均發(fā)生厘米級的水平位移。地震發(fā)生后，如果不及時采取加固措施，水會通過振松的壩體發(fā)生滲流，從而引發(fā)災害發(fā)生。綜合分析可知，地震動力工況下，堤壩是不安全的。

圖8 基本地震動動力工況加速度時程Fig.8 Acceleration time history in the basic seismic dynamic condition

圖9 基本地震動動力工況剪應變增量云圖Fig.9 Contour of shear strain increment in the basic seismic dynamic condition

4 計算結果分析與對比

根據(jù)極限平衡法計算，天然工況堤壩穩(wěn)定性系數(shù)為2.362，大于穩(wěn)定性安全系數(shù)1.35；基本地震動工況為1.563，略大于穩(wěn)定性安全系數(shù)1.35。但極限平衡法施加的是地震靜力，并且地震靜力單向加載，地震靜力只加在潛在滑體內(nèi)。沒有考慮土體本身的應力—應變關系，以及滑體外的地震靜力作用是該計算方法的主要缺點，所以利用極限平衡法計算地震靜力作用穩(wěn)定性系數(shù)稍偏高。

利用FLAC3D數(shù)值計算，天然工況強度折減系數(shù)大于2.0，此種工況下堤壩是安全的。基本地震動地震靜力工況下，兩壩肩發(fā)生厘米級的變形，但壩體內(nèi)部沒有破壞，故堤壩是安全的?；镜卣饎觿恿r下，堤壩處于明顯不穩(wěn)定狀態(tài)，究其原因是地震動力作用下，壩體土和可塑性粘性土的動抗剪強度參數(shù)比靜抗剪強度參數(shù)偏??；震動會造成土體孔隙水壓上升，有效應力降低；且堤壩地震響應有明顯的放大作用，最終導致堤壩產(chǎn)生較大塑性變形；如果震后不及時加固，堤壩會產(chǎn)生更大的破壞，進而導致災害發(fā)生。

綜上所述：在天然工況下，堤壩穩(wěn)定性狀態(tài)良好；在基本地震動靜力工況下，堤壩出現(xiàn)局部塑性破壞，但整體是安全的；在基本地震動動力工況下，堤壩處于明顯不穩(wěn)定狀態(tài)。但所有計算都是施加的水平向地震荷載（即垂直于壩體），當實際地震動加速度方向與水平方向不一致時，地震的破壞作用會有所減緩。

5 結論

本文采用Geo-Studio軟件和FLAC3D有限差分軟件，運用極限平衡法和數(shù)值分析法，通過應力場與滲流場的耦合分析，研究了東側運河大堤在洪水期多種工況的穩(wěn)定性。

（1）天然工況和地震靜力工況，兩種軟件計算結果基本一致，為堤壩穩(wěn)定性分析提供了一個較好途徑。FLAC3D軟件考慮了材料的變形，安全系數(shù)更加保守，一般要小于極限平衡法計算結果。

（2）東側運河大堤在天然工況下，堤壩穩(wěn)定性狀態(tài)良好；地震工況下，堤壩是不穩(wěn)定的。

（3）為提高堤壩的防震能力，減輕未來的地震災害，建議東側運河大堤后期加固時，采取必要的工程治理措施，如堤壩頂部硬化、堤壩坡面加護坡等。

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Study of East Levee Stability at Gaoyou Section Beijing Hangzhou Canal During Flood Period

TAO Xiao-san1，YUAN Bao-yuan2，CHENG Yan2, WANG Jin-yan1

（1. Institute of Earthquake Engineering of Jiangsu Province，Jiangsu Nanjing 210014，China;2. Hohai University，Jiangsu Nanjing 210098，China）

Gaoyou section of Beijing Hangzhou canal is located on the east side of Gaoyoulake,tothe East is Gaoyou city. Gaoyou lake is a "perched lake", the Beijing Hangzhou Canal is a“ perched River”,flood situation is grim, The stability of the Eastern canal levee in the Gaoyou is related to the safety of the Gaoyou city and Lixiahe region. By using Geo-Studio software and FLAC3Dfinite difference software,the limit equilibrium method and numerical analysis method are used, Through the coupling analysis of stress field and seepage field , research the Eastern canal levee during flood period , The stability of natural condition ,basic ground motion condition. It has important significance to the prevention of disaster prevention and mitigation, and the consequences of the earthquake disaster control reference.The analysis results show that under the natural condition, the levee is safe, under the earthquake condition,the levee is not safe. The author suggests that the necessary engineering measures should be taken in the later period of reinforcement.

stability of the dam; fluid structure coupling; Geo-Studio；FLAC3D；Gaoyou