均質(zhì)土截流圍堰施工安全穩(wěn)定性驗(yàn)算

劉小虎

(東臺(tái)市水利建設(shè)有限公司，江蘇 東臺(tái) 224200)

何垛河河道拓浚工程計(jì)劃安排在冬、春季施工，采用筑壩干法施工，但根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)度，考慮河道跨汛施工。為確保均質(zhì)土施工截流圍堰安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，對(duì)均質(zhì)土截流圍堰的高度、滲流及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析驗(yàn)算，通過(guò)分析表明：該結(jié)構(gòu)尺寸的均質(zhì)土圍堰作為擋水建筑物，能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，保證河道內(nèi)施工作業(yè)的安全。

1 工程概況

里下河川東港工程主要由川東港、何垛河、丁溪河與車路河等河段構(gòu)成，全長(zhǎng)91.95km。工程主要建設(shè)內(nèi)容為河道開挖、直立擋墻加斜坡及灌注排樁等，其中河道拓挖全長(zhǎng)2.8km，邊坡比1∶3，河堤設(shè)計(jì)高程-3.0m，底寬30m；直立擋墻加斜坡全長(zhǎng)4721m，擋墻高程0.5～2.6m，斜坡高程-0.5～0.5m；灌注排樁直徑1.2m，全長(zhǎng)426m，墻頂高程4.0m。

2 均質(zhì)土圍堰設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范要求，經(jīng)計(jì)算汛期10年一遇高水位為2.78m，安全超高0.5m，考慮波浪爬高及預(yù)留沉降0.7m，計(jì)算頂高程3.98m。施工圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：圍堰頂寬5m，頂高程4.0m，背水側(cè)邊坡1∶4、臨水側(cè)邊坡1∶3，并在背水側(cè)設(shè)置寬5m的戧臺(tái)，戧臺(tái)頂高程2.5m。本標(biāo)段施工截流圍堰填筑區(qū)域位于干河樁號(hào)15+800、18+270及各支河口處，施工方法采用進(jìn)占法，施工機(jī)械為160型推土機(jī)配合220型挖掘機(jī)，根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告要求選擇①1層土料作為截流圍堰填筑材料，截流圍堰斷面形式如圖1所示。

3 計(jì)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[1-4]。

3.1 圍堰高度驗(yàn)算

依據(jù)SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)均質(zhì)土截流圍堰頂高程進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算

圖1 土質(zhì)圍堰斷面形式

表達(dá)式如下：

y=R+e+A

(1)

式中，y—壩頂超高，m；R—最大波浪在壩坡上的爬高，m；e—最大風(fēng)壅水面高度，m；A—安全加高，m，根據(jù)施工壩的等級(jí)，查表5.3.1取0.5m。

波浪的平均波高、平均波周期采用莆田試驗(yàn)站公式，其計(jì)算表達(dá)式如下：

(2)

(3)

式中，hm—平均波高，m；Tm—平均波周期，s；W—計(jì)算風(fēng)速，m/s，根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料統(tǒng)計(jì)，東臺(tái)地區(qū)全年最大風(fēng)速為10m/s；D—風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m，按5倍的河道設(shè)計(jì)寬度260m；Hm—水域平均水深，m；g—重力加速度，取9.81m/s2。

平均波長(zhǎng)計(jì)算表達(dá)式如下：

(4)

式中，Lm—平均波長(zhǎng)，m；H—壩迎水面前水深，m。

正向來(lái)波在單坡上的平均波浪爬高計(jì)算表達(dá)式如下：

(5)

式中，Rm—平均波浪爬高，m；m—單坡的坡度系數(shù)，若坡角為α，即等于cotα；KΔ—斜坡的糙率滲透性系數(shù)，根據(jù)護(hù)面類型查表A.1.12- 1取0.9；Kw—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表A.1.12- 2取1.02。

根據(jù)以上公式及參數(shù)，施工截流圍堰超高計(jì)算成果見表1。

表1 施工截流圍堰超高計(jì)算成果表

截流圍堰驗(yàn)證頂高程為防洪設(shè)計(jì)水位+安全超高，即2.87+0.75=3.62m<設(shè)計(jì)高程4.00m。綜上所述，施工截流圍堰設(shè)計(jì)高程滿足安全要求。

3.2 圍堰滲流計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示，截流圍堰填筑在②層土上，②土層主要為灰色淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土，滲透系數(shù)5.10×10-6；截流圍堰采?、?層土料作為填筑材料，①1土層主要為灰黃、黃灰色輕、中粉質(zhì)壤土，滲透系數(shù)3.65×10-5，上述兩種土層滲透系數(shù)低，所以該均質(zhì)土截流圍堰滲流計(jì)算按不透水地基驗(yàn)算。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告分析，川東港沿線鉆探所揭示的土層多為細(xì)粒土，判定場(chǎng)地土的滲透變形形式為流土型。各層土的垂直向臨界水力比降Jcr取決于土的比重Gs和土的孔隙率n%，計(jì)算公式為：Jcr=(Gs- 1)(1-n)，以土的臨界水力比降除以安全系數(shù)(一般取2.0)為允許水力比降。計(jì)算得：①1土層臨界水力比降為0.91，允許水力比降為0.45；②層土層臨界水力比降為0.65，允許水力比降為0.32。

通過(guò)滲流分析計(jì)算確定滲流量、浸潤(rùn)線及其在下游壩坡的出逸點(diǎn)，求出壩內(nèi)平均滲透比降，下游坡腳點(diǎn)比降是否滿足規(guī)范要求[5- 7]。

根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E推薦公式如下：

(6)

L1=L+ΔL

(7)

(8)

(9)

式中，q—單位寬度滲流量，m3/(s·m)；k—堤身滲透系數(shù)，m/s；H1—上游水位，m；H2—下游水位，m；h0—下游出逸點(diǎn)高度，m；m1—上游坡坡率；m2—下游坡坡率；L1—滲流總長(zhǎng)度，m；L—上游水位與上游堤坡交點(diǎn)距下游堤腳或排水體上游端部的水平距離，m；ΔL—上游水位與堤身浸潤(rùn)線延長(zhǎng)線交點(diǎn)距上游水位與上游堤坡交點(diǎn)的水平距離，m；y—浸潤(rùn)線上任意一點(diǎn)距下游堤腳的垂直高度，m；—浸潤(rùn)線上任意一點(diǎn)距出逸點(diǎn)的水平距離，m。

滲流量計(jì)算、浸潤(rùn)線分析成果見表2。

表2 浸潤(rùn)線分析成果

下游無(wú)水(H2=0)時(shí)，滲出點(diǎn)A點(diǎn)、截流圍堰坡腳與不透水面交點(diǎn)B的滲透比降分別按下列公式計(jì)算：

(10)

(11)

式中，JA—下游無(wú)水背水坡A點(diǎn)出口比降；JB—下游無(wú)水背水坡B點(diǎn)出口比降。

壩身平均比降：

(12)

由計(jì)算成果可知，截流圍堰背水坡出逸段、坡腳出逸比及堰身平均比降見表3均小于允許比降，滿足滲流穩(wěn)定條件，故施工截流圍堰滲流處于安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 圍堰背水坡穩(wěn)定性分析

圍堰背水坡穩(wěn)定性采用瑞典條分法進(jìn)行分析，自然界勻質(zhì)土坡失去穩(wěn)定，滑動(dòng)面呈曲面，通常滑動(dòng)面接近圓弧，可將滑裂面近似成圓弧計(jì)算如圖2所示[8- 10]。

3.3.1計(jì)算參數(shù)的選取

截流圍堰采?、?層土料作為填筑材料，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示，滑動(dòng)面上的粘聚力c1=10.1kPa，滑動(dòng)面上的內(nèi)摩擦角φ=22.5°，土體比重GS=27.2kN/m3。

3.3.2施工截流圍堰滑動(dòng)面圓心輔助線確定

根據(jù)4.5H法確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面圓心輔助線位置，由于圍堰上無(wú)恒載，故不考慮圍堰上的外部荷載，從圖2中得到邊坡斜度1∶4，邊坡傾斜角14.03°，查表得β1為25°，β2為36°，繪圖得到圓心輔助線。

3.3.3條分法分析土坡穩(wěn)定

將滑動(dòng)土體分成若干豎向土條，土條i寬度按b=0.1R，該土條i上存在著土條自重、作用于土條弧面上的法向反力、作用于土條圓弧面上的切向阻力。根據(jù)土坡極限平衡穩(wěn)定推導(dǎo)出整個(gè)土坡相應(yīng)的滑動(dòng)面的穩(wěn)定安全系數(shù)為：

(13)

式中，Mr—土條i上的作用力對(duì)圓心O產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩；Ms—土條i上的作用力對(duì)圓心O產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩；ci、φi—滑動(dòng)面上的粘聚力及內(nèi)摩擦力；Wi—土條i自重。αi—土條i滑動(dòng)面的法線與豎直線的夾角；li—土條i滑動(dòng)面ef的弧長(zhǎng)；n—土條分條數(shù)

多次計(jì)算成果見表4，當(dāng)圓心坐標(biāo)x=5.16、y=19.17、滑動(dòng)圓弧半徑R=19.85時(shí)，所對(duì)應(yīng)的滑弧為最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面，其穩(wěn)定安全系數(shù)為2.46，根據(jù)SL 645—2013《水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.5.1土石圍堰邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)表4、5級(jí)圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.05，由上述計(jì)算知，截流圍堰邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定值，截流圍堰邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 圍堰背水坡滑動(dòng)面計(jì)算圖

表4 截流圍堰背水坡滑動(dòng)面穩(wěn)定分析計(jì)算表

4 結(jié)論

本文分析均質(zhì)土截流圍堰處于不透水地基，但在實(shí)際施工中截流圍堰填筑采用“進(jìn)占法”施工，將截流圍堰下的淤泥質(zhì)土排擠到圍堰兩側(cè)，在河床積水排除后、戧臺(tái)填筑前，須將圍堰背水側(cè)淤泥清理干凈，保證整個(gè)截流圍堰處于不透水地基上，是分析均質(zhì)土截流圍堰安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。通過(guò)對(duì)截流圍堰頂高程復(fù)核、滲流穩(wěn)定計(jì)算、邊坡穩(wěn)定性分析以及截流圍堰在工程施工期間的實(shí)際運(yùn)行情況，未發(fā)生不安全狀況。上述工程技術(shù)對(duì)均質(zhì)土圍堰安全穩(wěn)定分析方法，可為其他類似工程的圍堰方案設(shè)計(jì)和安全穩(wěn)定性分析提供一定參考依據(jù)。