楊永森,郭豐華,原曉軍,王遠(yuǎn)明,邱流潮
(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083;2. 黑龍江省三江工程建設(shè)管理局,哈爾濱 150081)
我國(guó)早期建設(shè)的河道堤防由于防洪標(biāo)準(zhǔn)低,存在堤身斷面不足、防滲能力較差等問(wèn)題,相比重建,堤防的加高培厚更加經(jīng)濟(jì)、效率[1],但由于新擴(kuò)建堤防修建時(shí)間以及填筑土料與已建堤防不同等原因,加高培厚后的堤防往往容易發(fā)生沉降,使堤防產(chǎn)生裂縫、破損,影響堤防穩(wěn)定安全,引起堤頂高程降低,防洪水平下降,進(jìn)而引發(fā)滲漏、潰壩等災(zāi)害。近年來(lái),國(guó)家投入巨大的人力物力財(cái)力,提高堤防工程的防洪標(biāo)準(zhǔn),堤防加高培厚方面已有不少工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),也提出了一些施工技術(shù)及方法。尤其是較為薄弱的新老堤防結(jié)合面,李昂等[2]提出了合適的開(kāi)挖臺(tái)階的高寬比范圍以及下密上疏的臺(tái)階布置形式,使得新老堤防結(jié)合面的加固效果較好。劉志剛等[3]通過(guò)堆載預(yù)壓的方式減少了新老路基的差異沉降。王世琦[4]介紹了不同的堤防形式,如均勻堤形、復(fù)式堤形、防洪墻式堤形的加高培厚施工技術(shù)。谷春光等人[5]從土料控制、施工管理及施工質(zhì)量控制等方面介紹了黃河下游的堤防工程加高培厚的經(jīng)驗(yàn)。魯有銘[6]提出采用低位真空預(yù)壓法加快軟弱地基固結(jié),提高地基承載力,減小新老堤防的差異沉降。黃揚(yáng)一[7]提出堤防加高培厚如果處理不當(dāng),會(huì)出現(xiàn)滲透比降增加、岸邊工程穩(wěn)定性下降等問(wèn)題,因此在施工過(guò)程中需要重視堤基的滲控處理。另外,趙婷等[8]、譚界雄等[9]以及張仲卿等[10]均結(jié)合實(shí)際工程對(duì)新老堤防加高培厚的結(jié)合面控制提出了相應(yīng)的措施。
其中,土工格柵以價(jià)格低廉、施工簡(jiǎn)便,施工周期短的特點(diǎn),在不同領(lǐng)域處治不均勻沉降有了廣泛的使用,達(dá)到了不錯(cuò)的效果。吳波等[11]、Juha Forshman等[12]、楊茂等[13]分析了高速公路改造擴(kuò)建項(xiàng)目中土工格柵的作用,表明了土工格柵能夠有效地提高路堤的整體穩(wěn)定性,減小新老路基的不協(xié)調(diào)變形;Huang等[14]對(duì)土工格柵加固堤防的效果進(jìn)行了有限元分析,得出土工格柵能夠減小變形提高堤防穩(wěn)定性的結(jié)論。在實(shí)際堤防加高培厚工程中,處治新老結(jié)合問(wèn)題,大多采用臺(tái)階開(kāi)挖和鋪設(shè)土工格柵共同使用[15],同時(shí)配合施工中嚴(yán)格控制壓實(shí)度,能夠達(dá)到很不錯(cuò)的效果。不僅增加新老堤防的接觸面積,提供側(cè)向約束,承擔(dān)豎向荷載產(chǎn)生的水平力,從而減小新老堤防之間的不均勻沉降。
雖然國(guó)內(nèi)已實(shí)施了一些堤防、土石壩加高培厚工程,但在設(shè)計(jì)施工中大多倚重于工程經(jīng)驗(yàn),而缺乏理論分析和系統(tǒng)化的加固措施和計(jì)算方法。公路工程中新老路基結(jié)合的相關(guān)研究較多,但公路路基不考慮防洪的要求,其工作條件、受力特點(diǎn)、填筑土質(zhì)等均與堤防有較大差別,不能直接套用到新老堤防結(jié)合的問(wèn)題上。因此對(duì)新老堤防結(jié)合問(wèn)題仍需要深入研究,進(jìn)而提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和施工方法。
松花江干流第九標(biāo)段新發(fā)新農(nóng)堤,全長(zhǎng)16.57 km,防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,堤防級(jí)別為2級(jí)。新發(fā)新農(nóng)堤對(duì)哈爾濱市區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活安定有著至關(guān)重要的作用,且現(xiàn)存堤防不滿足目前防洪要求,提高堤防標(biāo)準(zhǔn)極為重要,因此,選取6+900作為典型斷面進(jìn)行加高培厚穩(wěn)定性及加筋的影響分析。
針對(duì)原始堤防的典型斷面(圖1),原坡比為1∶3,不斷增大坡比,為后期斷面優(yōu)化提供建議的同時(shí),坡比增大開(kāi)挖后的土還可以直接用于堤防的加高培厚工程。
圖1 松干堤防第九標(biāo)段典型斷面(單位:m)Fig.1 The typical sections of the ninth section of the Songhuajiang main stream embankment
根據(jù)新發(fā)新農(nóng)堤防保護(hù)對(duì)象的重要性,按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[16](GB50201-2014)和《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[17],堤防工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,堤防工程級(jí)別為2級(jí),規(guī)范要求的安全系數(shù)最小為1.25。對(duì)典型斷面的坡比進(jìn)行處理,直至安全系數(shù)值接近1.25。運(yùn)用有限元法進(jìn)行模擬,選取摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型,材料參數(shù)如表1。
表1 土體的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of soil
從圖2可得出,隨著坡比的變大,安全系數(shù)在不斷下降,而且可以發(fā)現(xiàn)下降形式基本呈線性關(guān)系,表明坡比與安全系數(shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系。取原始堤防最經(jīng)濟(jì)斷面的坡比為1∶1,安全系數(shù)為1.33,滿足規(guī)范要求,此時(shí)堤防截面面積從原來(lái)的121.5 m2減小為40.5 m2,僅為原來(lái)截面面積的33%。
圖2 不同坡比的堤防安全系數(shù)Fig.2 Safety factors of dikes of different gradients
根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]要求,土質(zhì)堤防進(jìn)行加高培厚時(shí)需要進(jìn)行開(kāi)挖臺(tái)階的處理,結(jié)合規(guī)范要求,分析開(kāi)挖相同高寬比的臺(tái)階的情況下,高度對(duì)堤防穩(wěn)定性的影響。根據(jù)工程實(shí)際情況,加高2 m,背水坡培厚2 m的工況下進(jìn)行開(kāi)挖處理。h表示開(kāi)挖臺(tái)階的高度,H為堤防的原始高度。
圖3 不同開(kāi)挖臺(tái)階高度的堤防安全系數(shù)Fig.3 Safety factors of embankments of different bench excavations
在計(jì)算中用到了ABAQUS中的生死單元功能[18]進(jìn)行臺(tái)階開(kāi)挖的模擬。由圖3可以得出,在相同加高培厚的情況下,開(kāi)挖相同的高寬比臺(tái)階,開(kāi)挖臺(tái)階的高度越大,安全系數(shù)越大,越有利于加高培厚堤防穩(wěn)定性的提升。
在原堤防的基礎(chǔ)上進(jìn)行加高處理,加高示意如圖4,培厚2 m,保持原來(lái)的坡比不變,從加高0.4 m開(kāi)始逐層進(jìn)行增加加高高度,直至2 m,臺(tái)階按照原坡度等比例開(kāi)挖。h0表示加高高度,H為原堤防高度。
圖4 堤防加高示意圖(單位:m)Fig.4 Schematic diagram of the hightening embankment
由圖5得出,堤防的高度對(duì)穩(wěn)定性的影響較大,堤防高度加高高度為原來(lái)的22%時(shí),安全系數(shù)下降了0.48。若保持原來(lái)的寬度不變,隨著堤頂?shù)牟粩嗉痈?,滑移面?huì)貫穿整個(gè)堤頂,所以在實(shí)際的工程中在遵循堤防施工技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上,同時(shí)考慮擴(kuò)寬堤防堤頂寬度,以防止滑裂面貫穿造成的巨大損失。
圖5 不同加高高度的堤防安全系數(shù)Fig.5 Safety factors of different heightening embankments
堤防培厚如圖6所示,為了防止加高的高度比較大,造成培厚時(shí)堤頂寬度不夠,故堤頂加高0.4 m,培厚值依次是0.4、0.8、1.2、1.6、2 m,臺(tái)階按照h/H=0.2進(jìn)行開(kāi)挖。
圖6 堤防培厚示意圖(單位:m)Fig.6 Schematic diagram of the thickening embankment
圖7 不同培厚值的安全系數(shù)Fig.7 Safety factors of different thickening embankments
由圖7可得,保持原來(lái)堤防坡度不變,培厚值的變化對(duì)堤防安全系數(shù)的影響很小,培厚厚度從0.4 m增加至1.6 m,安全系數(shù)幾乎不變,培厚值增加至2.0 m,安全系數(shù)才有了較大的增加,培厚厚度從0.4 m增加至1.6 m,只增加了約0.06,培厚對(duì)堤防的整體穩(wěn)定性的影響不是很大,但在實(shí)際工程中也不可或缺,可以擴(kuò)大堤防斷面,提高防洪標(biāo)準(zhǔn)。在下一步設(shè)置最優(yōu)經(jīng)濟(jì)斷面時(shí),培厚厚度只需滿足堤防設(shè)計(jì)規(guī)范要求即可,不必過(guò)大的培厚,以減少土方的用量。
對(duì)堤防進(jìn)行開(kāi)挖,并在臺(tái)階上加筋,分析加筋對(duì)堤防穩(wěn)定性的影響。采用土工格柵進(jìn)行加筋處理,其彈性模量為38.7 GPa,泊松比0.33,筋材厚度為5 mm。加筋位置如圖8所示,以臺(tái)階高度為h/H=0.2為例,每個(gè)臺(tái)階都鋪設(shè)筋材,除第一層筋材貫穿整個(gè)堤防外,其他層筋材均為左端至臺(tái)階角處,右端到達(dá)堤防坡面。
圖8 加筋示意圖(單位:m)Fig.8 Schematic diagram of reinforcement
由表2得出,加筋后的安全系數(shù)有了較大的提升,最高達(dá)到37%(h/H=0.11臺(tái)階),單純的開(kāi)挖臺(tái)階對(duì)安全系數(shù)的提升十分有限,但通過(guò)加筋的方式可有效地提高安全系數(shù)。并且滑裂面的位置由于筋材的束縛作用也發(fā)生了變化,向左發(fā)生了移動(dòng),如圖9所示,滑裂圓弧接近筋材的最左側(cè)。
表2 加筋后的安全系數(shù)Tab.2 Safety factors of reinforcement embankments
圖9 h/H=0.16時(shí)的滑裂面Fig.9 Slip surface of the embankments of h/H=0.16
考慮傾斜加筋對(duì)穩(wěn)定性的影響,同水平加筋一樣,依然選取h/H=0.2的臺(tái)階,筋材最右端延伸至堤防的坡面,每個(gè)臺(tái)階筋材取8 m,傾斜角度為筋材與水平面之間的角度,如圖10所示。
圖10 傾斜加筋示意圖(單位:m)Fig.10 Schematic diagram of inclined reinforcement
水平加筋時(shí)(h/H=0.2臺(tái)階)第一層筋的長(zhǎng)度為14.32 m,貫穿了整個(gè)堤防,其他層為11.72 m,而傾斜加筋第一層筋的長(zhǎng)度為8 m,安全系數(shù)由3.14降至了2.71。由圖11可得,傾斜加筋可提高堤防安全系數(shù),傾角15°左右時(shí)安全系數(shù)最高,但超過(guò)30°后傾斜加筋效果不如水平加筋,這與文獻(xiàn)[19]中加筋土三軸模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)吻合。在實(shí)際工程中傾斜加筋可以采用,但要采用合理的傾斜角度,才能達(dá)到較好的加筋效果。
圖11 不同傾斜角度加筋的安全系數(shù)Fig.11 Safety factors of different inclined reinforcement embankments
基于以上對(duì)削坡、開(kāi)挖臺(tái)階、加筋對(duì)堤防穩(wěn)定性影響的分析,總結(jié)了以下幾個(gè)原則,用于加高培厚斷面優(yōu)化。
(1)滿足《堤防工程施工規(guī)范》(SL260-2014)[20]要求,主要滿足規(guī)范要求的加高值、安全系數(shù)值、堤防寬度等,最大程度減少用地面積與土方使用量。
(2)開(kāi)挖臺(tái)階高度越大、安全系數(shù)越高。加筋條數(shù)越多,安全系數(shù)越高。培厚厚度對(duì)穩(wěn)定性影響很小,即堤防寬度滿足基本需要即可,加高高度對(duì)堤防穩(wěn)定性影響較大。
(3)加筋傾斜角度較小時(shí)可以一定程度上提高穩(wěn)定性,并且筋材嵌入老堤的長(zhǎng)度盡可能的長(zhǎng)。
結(jié)合以上原則提出松干堤防加高培厚工程優(yōu)化方案,以供其他工程參考,如下。
(1)對(duì)原始堤防斷面進(jìn)行優(yōu)化,第一步進(jìn)行削坡處理,將原始邊坡削至1∶1,削坡的土方用于加高培厚工程。
(2)計(jì)算削坡后的單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的土方量,進(jìn)行加高培厚,選取規(guī)范中的堤防最大加高值1.5 m進(jìn)行加高。
(3)限制培厚厚度,該工程是2級(jí)工程,規(guī)范要求堤防寬度不能小于6 m,根據(jù)堤防寬度選擇培厚厚度。
(4)開(kāi)挖臺(tái)階數(shù)目選用9個(gè),h/H=0.11,并在每個(gè)臺(tái)階上進(jìn)行加筋處理。
原始堤防最經(jīng)濟(jì)斷面安全系數(shù)為1.33,經(jīng)過(guò)坡度不變加高1.5 m后,穩(wěn)定性大幅度下降,安全系數(shù)降至1.08,已不滿足二級(jí)堤防的穩(wěn)定性要求,加筋處理后安全系數(shù)提升至1.63,提升效率達(dá)到近60%,加筋的效果十分明顯?;谔岢龅募痈吲嗪竦谭赖膬?yōu)化方案,經(jīng)過(guò)加筋處理后,堤防坡比優(yōu)化為1∶1.37,安全系數(shù)從1.08提升至1.63,土地使用面積減小了36.9%,單位長(zhǎng)度(1 m)加高培厚工程所需土方量減少約20 m3。
基于以上提出的優(yōu)化后堤防斷面進(jìn)行固結(jié)沉降分析,為了進(jìn)一步計(jì)算加筋效率的問(wèn)題,對(duì)優(yōu)化斷面開(kāi)挖四個(gè)臺(tái)階(h/H=0.25)的方式。筋材(6.25 m)的鋪設(shè)左邊頂?shù)介_(kāi)挖臺(tái)階的直角處,右邊到培厚坡面邊緣,如圖12所示。
圖12 優(yōu)化加筋堤防示意圖(單位:m)Fig.12 Schematic diagram of the optimized embankment
有限元模型基本假設(shè)如下。
(1)假定土體包括堤身土、地基土,均為理想彈塑性體[21]。
(2)土工格柵(筋材)均按線彈性[22],力學(xué)指標(biāo)為彈性模量和泊松比。
(3)邊界條件地基底面為水平和豎直兩個(gè)方向約束,地基兩側(cè)水平方向約束。
針對(duì)開(kāi)挖加筋,設(shè)置開(kāi)挖加筋、開(kāi)挖不加筋、不開(kāi)挖加筋、不開(kāi)挖不加筋4種工況進(jìn)行計(jì)算。圖13為開(kāi)挖加筋工況的沉降云圖,開(kāi)挖加筋可以有效的減少新堤整體的沉降值,僅開(kāi)挖臺(tái)階也可以減小最大沉降值。
圖13 開(kāi)挖加筋云圖Fig.13 Nephogram graph of embankment of excavation and reinforcement
由圖14可得,開(kāi)挖加筋可在一定程度上減小堤防的側(cè)向位移圖,同樣僅開(kāi)挖對(duì)側(cè)向位移的影響較小,配合加筋可以更有效的減小側(cè)向位移。由圖15可得,開(kāi)挖加筋、不開(kāi)挖加筋、開(kāi)挖不加筋、不開(kāi)挖不加筋四種工況的沉降值分別為12.45、12.89、14.54、15.06 cm,相對(duì)于不開(kāi)挖不加筋前三種分別可以減少沉降17.33%、14.4%、3.45%,可以看到開(kāi)挖及加筋都減少沉降,但是加筋的作用比開(kāi)挖臺(tái)階更強(qiáng),開(kāi)挖和加筋共同作用效果最好。
圖14 不同開(kāi)挖加筋形式的堤頂側(cè)向位移Fig.14 Lateral displacement of embankment with different excavation and reinforcement forms.
圖15 不同開(kāi)挖加筋形式的堤頂沉降Fig.15 Settlement of embankment with different excavation and reinforcement forms
鋪設(shè)土工格柵可分為鋪設(shè)1層、鋪設(shè)2層、鋪設(shè)3層及全鋪(鋪設(shè)4層)4種情況;對(duì)于不同的鋪設(shè)層數(shù),又分別有鋪設(shè)位置的不同。因此,需要對(duì)這幾種情況進(jìn)行分析,確定鋪設(shè)的最佳位置?;锥榈?層、由上向下臺(tái)階分別為第1、2、3、4層。
對(duì)于鋪設(shè)1層土工格柵選擇四種鋪設(shè)組合,分別為第1、2、3與第4層鋪設(shè);對(duì)于鋪設(shè)2層土工格柵,有6種鋪設(shè)組合,分別為第1和2層、第1和3層、第1和4層、第2和3層、第2和4層、第3和4層;鋪設(shè)3層土工格柵,選擇3種鋪設(shè)組合,分別為第1和2和3層、第2和3和4層、第1和3和4層;鋪設(shè)4層土工格柵,只有一種情況,為4層全鋪設(shè)。
2.2.1 鋪設(shè)一層筋
從圖16可得,鋪設(shè)1層筋材時(shí)在一定程度上也能減小沉降值,從鋪設(shè)層位1到4,最大沉降值分別為14.27、14.08、13.92、13.59 cm,相對(duì)于開(kāi)挖不加筋的最大14.54 cm,分別減小了1.86%、3.16%、4.26%、6.53%。故筋材鋪設(shè)于越下層,則新老堤防差異沉降越小。
圖16 鋪設(shè)一層筋的堤頂沉降Fig.16 Settlement of the one-floor reinforced embankment
當(dāng)鋪設(shè)于最底層時(shí)差異沉降相比無(wú)筋材時(shí),減少的幅度最大,即基底筋材的鋪設(shè)對(duì)減小堤防的差異沉降有較好的作用,而鋪設(shè)于較上層對(duì)降低差異沉降的貢獻(xiàn)并不大。土工格柵通過(guò)與堤防填土的摩擦作用,承受了堤防內(nèi)部拉力,使堤防荷載均勻化,減小了不均勻沉降,約束了堤防的水平變形,同時(shí)使得堤防的整體性加強(qiáng)。
2.2.2 鋪設(shè)兩層及三層筋時(shí)
鋪設(shè)兩層筋材時(shí),堤防頂面沉降較無(wú)筋材時(shí)有明顯的減小,鋪設(shè)在第1、2層時(shí)的最大沉降為13.8 cm,鋪設(shè)在第1、3層時(shí)的最大沉降為13.7 cm,鋪設(shè)在第1、4層時(shí)的最大沉降為13.65 cm,鋪設(shè)在第2、3層時(shí)的最大沉降為13.6 cm,鋪設(shè)在第2、4層時(shí)的最大沉降為13.4 cm,鋪設(shè)在第3、4層時(shí)的最大沉降為13.16 cm;鋪設(shè)在第3層和第4層時(shí)效果最好,其次為鋪設(shè)在第2層和第4層,而鋪設(shè)在堤防上部的效果要差一些。相比無(wú)筋鋪設(shè),鋪設(shè)在第3、4層時(shí)的最大沉降由14.54 cm減小到13.16 cm,減小了8.96%。
鋪設(shè)3層筋材時(shí),堤防頂面最大沉降減小幅度比鋪設(shè)1層和兩層的明顯。其中,鋪設(shè)在堤防第2、3、4層的效果最好,堤防頂面最大差異沉降由無(wú)筋時(shí)的14.54 cm減小到12.58 cm,減小了13.48%;鋪設(shè)在堤防第1、2、3層的效果較差,最大沉降為12.8 cm,相比無(wú)筋減小了11.97%;而鋪設(shè)在堤防第1、3、4層的最大沉降為12.7 cm,相比無(wú)筋減小了12.65%。
2.2.3 鋪設(shè)不同層位時(shí)的工況分析
由2.2.1和2.2.2節(jié)可知,加筋層數(shù)和位置對(duì)加筋的效果有一定影響,對(duì)比分析不同層數(shù)加筋中對(duì)堤防沉降影響最大的鋪設(shè)方式,分別為鋪設(shè)第4層,鋪設(shè)第3、4層,鋪設(shè)第2、3、4層,四層全鋪設(shè),如圖17所示。
圖17 鋪設(shè)不同層位筋材時(shí)的堤防頂面沉降Fig.17 Settlement of the two-floors reinforced embankment
加筋位置越靠近堤防底部,降低堤防最大沉降的效果越明顯。加筋層數(shù)多比加筋層數(shù)少效果明顯,加筋1層、2層、3層、4層時(shí)比不加筋時(shí)堤防頂面沉降分別降低了6.53%、9.49%、13.48%和14.37%。說(shuō)明開(kāi)挖并加筋能明顯降低堤防的差異沉降,要比只開(kāi)挖臺(tái)階不加筋效果要好,能夠很好的提高堤防的整體穩(wěn)定性。但鋪設(shè)4層僅比鋪設(shè)3層的,提高了1.11%,提升效果不是很明顯,在實(shí)際工程應(yīng)用中,應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)及工程效益,合理選擇加筋處治方案。
本文針對(duì)加高培厚后的堤防的安全性及沉降問(wèn)題,研究了不同開(kāi)挖和加筋形式對(duì)堤防穩(wěn)定性和沉降的影響,主要有以下結(jié)論。
(1)取松花江干流第九標(biāo)段樁號(hào)6+900處典型斷面,對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。經(jīng)過(guò)加筋處理后,堤防坡比優(yōu)化為1∶1.37,安全系數(shù)從1.08提升至1.63,土地使用面積減小了36.9%,單位長(zhǎng)度(1 m)加高培厚工程所需土方量減少約20 m3。
(2)經(jīng)過(guò)綜合分析堤防坡比、加高高度、培厚厚度、開(kāi)挖臺(tái)階的高度、不同的加筋方式等多種因素對(duì)穩(wěn)定性的影響,結(jié)合堤防技術(shù)規(guī)范,兼顧保安全及經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上,提出了堤防加高培厚的優(yōu)化處理方法,為防治加高培厚工程中的新老堤防結(jié)合面病害的處治提供了系統(tǒng)的技術(shù)方案。
(3)基于優(yōu)化后的堤防,分析了加筋堤防的固結(jié)沉降,提出了適合工程使用的加筋方案。加筋堤防可以有效的減小不均勻沉降,提高堤防的整體穩(wěn)定性。加筋位置越靠近堤防底部,減小堤防差異沉降的效果越明顯。加筋層數(shù)多的比加筋層數(shù)少的效果明顯,但在實(shí)際工程應(yīng)用中,應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)及工程效益,合理選擇加筋處治方案。