均質(zhì)土圍堰安全穩(wěn)定計算分析

黃春霞

（江西省南昌縣象湖聯(lián)圩管理站，江西 南昌 330025）

0 引言

以某水利工程為例，該工程全長91.95 km。工程主要建設(shè)內(nèi)容有河道拓挖、直立擋墻加斜坡及灌注排樁，其中河道拓挖全長2.8 km，邊坡比1∶3，河底設(shè)計高程-3.0 m，底寬30 m；直立擋墻加斜坡全長2.569 km，擋墻高程0.5 m～2.6 m，斜坡高程-0.5 m～0.5 m；灌注排樁直徑1.2 m，全長31 m，墻頂高程1.9 m。對工程現(xiàn)場環(huán)境及其土質(zhì)圍堰利用ANSYS 有限元軟件與svoffice 巖土軟件構(gòu)建整體模型，對土圍堰的基底抗滑穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性、圍堰變形與應力、圍堰滲流及高度演算進行分析，探討均質(zhì)土圍堰在高水位條件下的安全穩(wěn)定性。

1 工程概況

本標段施工截流圍堰填筑區(qū)域位于各支河、溝口處，樁號為15+800、18+270，圍堰背水側(cè)邊坡1∶4、臨水側(cè)邊坡 1∶3，地下水水位為2.0 m，防洪設(shè)計水位2.87 m，堰頂高程4.0 m，并在背水側(cè)設(shè)置寬2.5 m 的平臺。施工方法為進占法，施工機械為160 型推土機配合220 型挖掘機，根據(jù)工程地質(zhì)報告要求選擇圍堰填筑材料，圍堰斷面形式見圖1。

圖1 土質(zhì)圍堰斷面形式

2 計算分析

為保證均質(zhì)土圍堰在高水位狀態(tài)下的安全穩(wěn)定性，可從如下幾方面分析體系的整體性能，即圍堰的變形、高度、整體穩(wěn)定性、基底抗滑性是否滿足規(guī)范要求，圍堰是否發(fā)生滲流破壞。采用svoffice 二維巖土軟件建模分析圍巖的整體穩(wěn)定性與滲流作用，利用ANSYS 三維有限元軟件分析圍巖基底穩(wěn)定性及其應變、應力狀態(tài)[1～4]。

2.1 圍堰高度驗算

依據(jù)堤防工程設(shè)計規(guī)范確定本研究均質(zhì)土圍堰堤頂高程[5]，其計算表達式如下：

式中：R、Y 分別代表設(shè)計波浪爬高與土圍堰高度；A、e 分別代表安全加高及設(shè)計風雍水面高度，其中A 值為0.5 m。

若土質(zhì)圍堰斜坡率滿足條件hm/L≥0.025 且m＜1.0，則波浪爬高R 的計算公式為：

式中：KΔ，Kv，Kp，Ko分別為規(guī)范規(guī)定的計算系數(shù)；hm為波浪平均高度。

根據(jù)土石壩設(shè)計規(guī)范和堤防工程設(shè)計標準確定波浪平均高度，計算方法如下：

式中：hm為平均波高，m；V 為計算風速，1.5×16(多年平均最大風速)＝24 m/s；F 為由計算點逆風向量到對岸的距離，35 m；d為水域平均水深，4.87 m；g 為重力加速度，取9.81 m/s2。

根據(jù)上述計算參數(shù)和基本方法確定風雍水高度為0.05 m、波浪爬高為1.25 m。然后對圍堰高度按照設(shè)計規(guī)范進行驗證，計算得到Y(jié)=1.25+0.05+0.5=1.80 m。圍堰頂最低標高為Y=2.87+1.80=4.67＞3.5 m，因此按照此方法確定的圍堰高度不夠。然后對圍堰平均浪高按照圍堰導流設(shè)計導則與圍堰設(shè)計相關(guān)的規(guī)范進行驗證，Y=2.87+0.46+0.5=3.83＞3.5 m，在10 年一遇浪高下圍堰頂最低標高為H=2.87+0.75+0.5=4.11＞3.6 m。綜上所述，均質(zhì)土圍堰在上述兩種條件下的高程均不滿足條件要求，故均質(zhì)土圍堰高度在豐水期風浪作用下不滿足安全要求，應制定相應的應急預案并采取防浪措施。

2.2 圍堰滲流穩(wěn)定分析

在建設(shè)項目施工期間，地下水高程為+2 m，因此在對地連墻分析過程中設(shè)定地下水初始水位為+2 m。結(jié)合地質(zhì)勘測報告和有關(guān)資料，淤泥質(zhì)土層具有較低的滲透系數(shù)，因此可認為隨著短期水位的升降，淤泥質(zhì)土中的地下水位保持相同的變化趨勢，地面水在洪水期內(nèi)按照常水頭的形式作用在迎水側(cè)與地表。

汛期洪水最高水位的持續(xù)時間較短，土圍堰浸潤線發(fā)展規(guī)律選擇為100 d 結(jié)合圍堰現(xiàn)場土工試驗報告和地質(zhì)勘測相關(guān)資料，確定淤泥質(zhì)黏土、土圍堰填土的飽和滲透系數(shù)分別為5.0×10-5cm/s、5.28×10-5cm/s。浸潤線在洪水位期間不會達到背水面，從而不能形成穩(wěn)態(tài)的滲流作用。在保證土圍堰合理護面和不出現(xiàn)土體顆粒流失的條件下，土圍堰不存在滲流破壞作用。

2.3 圍堰整體抗滑穩(wěn)定性分析

根據(jù)土圍堰滲透性較低的實際情況，考慮將土工布設(shè)置在圍堰迎水面，另外結(jié)合河道洪水期一般低于100 d 可不考慮滲流對圍堰的影響，因此對整體抗滑穩(wěn)定性可利用飽和抗剪總應力來反映。

土圍堰覆蓋層地基及堰坡的抗滑穩(wěn)定性根據(jù)堤防工程設(shè)計規(guī)范，采用剛體極限平衡單一安全系數(shù)法確定，利用簡化畢肖普法或瑞典圓弧法確定抗滑穩(wěn)定時，根據(jù)表1 中非正常運行條件Ⅰ的相關(guān)規(guī)定確定土圍堰的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)[6]。水位驟降期的臨水邊坡及施工期設(shè)計洪水位的臨、背水邊坡，為模型計算分析的主要內(nèi)容。

表1 不同計算方法下的抗滑穩(wěn)定系數(shù)表

工況1：完成均質(zhì)土圍堰施工時的地下水位高程為+20 m。工況2：選擇最高洪水位+31.50 m 作為地面上洪水位，波浪力與靜水壓力為作用于迎水面的主要荷載，擋水土工布在迎水面的抗?jié)B透性較好。波浪力垂直作用于坡面上，大小為20 kPa。一般情況下，在施工過程中臨時堆載較為常見，為提高計算結(jié)果的準確性與可靠性，在模型運算過程中假定施工堆載為10 kPa。工況3：均質(zhì)土圍堰在水位降低的情況下保持穩(wěn)定。根據(jù)文中所述計算方法和參數(shù)值，確定不同工況條件下的土圍堰最小安全系數(shù)見表2。

表2 3 種不同工況下土圍堰最小安全系數(shù)值

根據(jù)土圍堰在不同工況條件下的穩(wěn)定性分析結(jié)果，背水面洪水期安全系數(shù)較低，邊坡安全系數(shù)能夠達到標準規(guī)范設(shè)計要求，而在洪水迅速下降過程中的安全穩(wěn)定系數(shù)有最小值，因此施工堆載可在一定程度上提高圍堰的穩(wěn)定性。

2.4 圍堰變形與應力計算

按照5 級標準分析均質(zhì)土圍堰變形與應力狀態(tài)，結(jié)合非飽和土二維滲流計算報告確定該圍堰的滲透系數(shù)較小，將土工擋水布設(shè)置在迎水面并設(shè)定洪水期在100 d 以內(nèi)，在模型運算過程中不考慮滲流作用，土圍堰與地基上作用洪水靜水壓力，應力與變形狀態(tài)利用飽和抗剪總應力指標表征。

計算模型采用ANSYS軟件，模型計算范圍為400 m×400 m，以地連墻中心點作為模型原點。洪水的波浪力與靜水壓力為土圍堰承受的主要荷載，根據(jù)土圍堰實際狀況和相關(guān)資料設(shè)定以下5 種工況計算圍堰變形與應力[7]。工況1：土圍堰迎水面滿布波浪力與靜水壓力。工況2：土圍堰迎水面滿布靜水壓力，而在橫梁上布置浪波力，其他方向無作用力。工況3：迎水面滿布靜水壓力，橫梁下布置波浪力，其他方向無作用力。工況4：迎水面滿布靜水壓力，縱梁向主干流側(cè)布置波浪力，其他方向無作用力。工況5：迎水面滿布靜水壓力，縱梁向河岸側(cè)布置波浪力，其他方向無作用力。根據(jù)下述標準作為圍堰應力與變形控制值，分別如下：

（1）變形允許值控制參數(shù)。本研究土圍堰豎向變形控制值據(jù)《路基邊坡設(shè)計規(guī)范》確定，最大允許值小于300 mm。本研究土圍堰水平變形控制值參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》確定，最大允許值低于圍堰高的1%，本文中水平變形最大允許值為50 mm。依據(jù)水平與豎向變形最低值作為總變形控制標準。

（2）應力允許值控制參數(shù)。采用抗剪切強度值作為土體應力控制參數(shù)，從而保證土圍堰體處于安全范圍以內(nèi)。土圍堰體抗剪強度應大于實際受到剪應力值，抗剪強度計算公式為：

式中：f、c、h 分別代表土體的剪應力、粘聚力及其厚度；σ、φ 分別為土體的天然密度與內(nèi)摩擦角。

分別對土圍堰在5 種不同工況下的變形進行計算，結(jié)果見表3。根據(jù)計算結(jié)果可知，在不同工況下土圍堰的最大變形為43.6 mm，在水平X、垂向Y 方向的最大變形分別為36.5 mm、38.3 mm，在各方向上的變形均低于50 mm，小于300 mm 的沉降量限值。

表3 不同工況下X、Y 方向及總變形匯總表

均質(zhì)土圍堰應力在水平X、垂向Y 方向，在5 種不同工況下的計算結(jié)果見表4，根據(jù)表4 計算結(jié)果可知，土圍堰應力在不同工況下均在破壞應力范圍以內(nèi)，在最不利狀態(tài)下未達到塑性破壞狀態(tài)。

表4 最不利應力值在不同工況下的匯總表

2.5 均質(zhì)土圍堰基底抗滑穩(wěn)定性分析

根據(jù)地面與圍堰之間的XY 平面剪應力判斷土圍堰在豐水期的基底抗滑穩(wěn)定性，計算結(jié)果見表5，其中應力方向利用正、負號反映。根據(jù)表5 可知，土圍堰基底剪應力最大值在5 種工況下為34.2 kPa，安全系數(shù)為2.06，計算結(jié)果能夠符合標準設(shè)計要求。

表5 土圍堰基底在5 種工況下的剪應力最大值 單位：kPa

3 結(jié)論

通過利用ANSYS 有限元軟件與svoffice 巖土軟件，對某水利工程均質(zhì)土圍堰進行了一系列的建模驗算，通過加強邊坡、增加圍堰高度及應力監(jiān)測點的計算分析，確保了高水位狀態(tài)下土圍堰的安全穩(wěn)定性，可為其他類似工程的圍堰方案設(shè)計和安全穩(wěn)定性分析提供一定參考依據(jù)。