軟土地基砂袋圍堰施工技術及變形失穩(wěn)影響因素分析

摘 要：在貴陽市南明區(qū)河水環(huán)境綜合整治項目二期工程施工中，針對軟土地基砂袋圍堰易變形失穩(wěn)、承載能力差等問題，開展了軟土地基砂袋圍堰施工技術及變形失穩(wěn)影響因素分析。本文基于實際施工工況條件，在考慮最不利荷載作用下，采用有限元法對軟地基砂袋圍堰進行了模擬分析，并以圍堰傾角和圍堰寬度作為影響因素，獲得了相同水位條件下圍堰變形情況，提出了最優(yōu)的砂袋圍堰堆砌方案，通過研究提高了砂袋圍堰受力性能，降低了變形失穩(wěn)破壞的風險，并將其理論模擬優(yōu)化結果應用于實際擋水圍堰施工承載力中，加快了施工進度，保證了工程質量，可為后續(xù)類似圍堰施工提供理論支持。

關鍵詞：砂袋圍堰;變形失穩(wěn);有限元法;優(yōu)化

中圖分類號：U655.4

文獻標識碼： A

隨著當前科學技術的快速發(fā)展，國家在交通水運、市政配套設施等方面取得快速的進步，在施工過程中對安全環(huán)保施工方面的要求也越來越高。水工結構施工過程中經常采用圍堰作為臨時擋水措施，在圍堰選型上大多采用砂袋形式施工，砂袋圍堰具有施工工藝簡單、節(jié)約工期和成本等特點;但是施工過程中同樣面臨一些問題，如軟地基砂袋圍堰變形失穩(wěn)、承載能力差，容易發(fā)生沉降[1]等，因此開展軟土地基砂袋圍堰變形失穩(wěn)影響因素研究具有重要的工程意義。

當前國內外相關學者對工程施工過程中的圍堰變形施工開展了大量研究，如陳凌偉等[2]開展了大砂袋圍堰的變形與失穩(wěn)模式研究，進行離心試驗結合模擬分析結果，對圍堰的變形及機理進行研究，取得了可觀的成果;崔春義等[3]基于Mohr-Coulomb破壞準則的本構模型，考慮土石物的彈塑性性質，對不同水位情況下的鋼板圍堰進行模擬分析，驗算結果有效的指導了實際工程施工;彭飛[4]則開展了共樁型圍堰的力學性能進行分析研究，利用傳統(tǒng)的計算方法對結構進行了驗算，再結合模擬分析手段對圍堰進行初步靜力分析，對比了幾個工況條件下的應力情況，獲得了最優(yōu)的設計方案。以上的研究學者都取得了較好的研究成果，為指導工程施工提供可靠的方案，本文基于上述學者的研究方法，對實際工程的軟地基砂袋圍堰施工技術及變形失穩(wěn)影響因素進行了分析。

在本項目施工過程中，為避免出現(xiàn)軟土地基砂袋圍堰變形失穩(wěn)，加快施工進度，在現(xiàn)有的研究方法的基礎上，利用有限元模擬分析的方法對圍堰的變形模式及變形因素進行研究，以圍堰傾角和圍堰寬度作為影響因素，對比分析了相同水位工況下圍堰變形情況，為實際的施工提供了優(yōu)化方案，確保了施工的安全性，降低了施工成本，加快了施工進度，優(yōu)化了實際施工方案確保了施工安全。

1 工程概況

1.1 項目簡介

貴陽市新莊污水處理廠二期工程配套截污溝工程位于貴州省貴陽市東風鎮(zhèn)，全長9.7 km，沿河道岸邊布置。沿線河道寬15～58 m，河水深度豐水期4～6 m，枯水期1～3 m，兩岸大部分為山體，最大山體高度38 m，截污溝的修筑大多需要在河道中修筑施工便道及圍堰后開挖溝槽進行截污溝混凝土箱涵施工，圍堰結構示意圖如圖1所示，箱涵基坑開挖深度約4～8 m。本文以施工過程中自然環(huán)境、施工環(huán)境較為復雜的Z6+640—Z8+060、Z6+690—Z7+040、Z7+715—Z7+770段截污溝為對象進行研究。

1.2 水文地質

1.2.1 地表水

本段截污溝沿南明河布置，截污溝施工里程從Z0+000—Z9+720，該工程河水實測枯水期水位值在969.20～989.29 m之間。截污溝箱涵施工多處于汛期，汛期水位上漲迅速，且水位高于箱涵頂面，據(jù)水文資料顯示和當?shù)噩F(xiàn)場踏勘走訪了解本區(qū)域常年洪水水位將比河道正常水位高出3 m。為了防止汛期水位上漲給施工帶來不利影響，產生安全隱患，根據(jù)《水利水電工程施工組織設計》與《水利水電工程圍堰設計規(guī)范》的要求，擬在箱涵主體靠河道外堆碼粘土袋圍堰，圍堰頂比河道常年洪水水位高1.3 m（防滲高度0.8 m+安全高度0.5 m）。

1.2.2 地下水

（1）巖溶水和孔隙水

巖溶水主要賦存于白云巖和灰?guī)r的巖溶以及溶隙中，包括巖溶裂隙水和巖溶孔隙水，巖溶水較豐富，其埋深一般大于10 m。

（2）基巖裂隙水

基巖裂隙水主要賦存于節(jié)理裂隙和巖層面中，水量及水文聯(lián)系受節(jié)理裂隙和層面控制，一般賦存于地表以下5～8 m以內的淺部節(jié)理裂隙風化帶中。

（3）上層滯水

上層滯水賦存于第四系土體中或巖土接觸面附近，多呈透鏡狀分布，特別是受河水水位的影響大，水量較小且季節(jié)性變化較大，其埋深一般1～5 m。擬建截污管溝場區(qū)地下水位與河水水位一致，與沿線南明河水形成互補，其水量及水位埋深主要受大氣降水和沿河水位的影響，主要以地下徑流方式由地勢較高處向較低處徑流排泄，最終流入南明河。

1.3 不良地質

（1）擬建截污溝施工后在沿線將形成基坑挖方邊坡，邊坡應放坡開挖。但Z6+640—Z6+690段需要開山開挖，且臨近滬昆高鐵南明河大橋橋墩下，根據(jù)《截污溝工程與滬昆高鐵交叉施工方案》及其相關會議紀要，該段基坑開挖嚴禁爆破作業(yè)，應用機械冷鑿開挖，并需要采取支護措施。

（2）擬建截污溝沿南明河延伸，管溝沿線局部地段跨越現(xiàn)有河道（Z7+715—Z7+770），河道內殘留有一層淤泥質土為主的軟土，該土層工程性能差，在管道基礎施工時，需要將其清除，宜采取毛石混凝土換填等基底處理措施。

（3）擬建截污溝沿南明河右岸延伸，右岸均為河灘或耕地，河灘部分（Z6+690—Z7+040）土質以淤泥質土為主的軟土，耕地部分為粘質軟土，該兩種土層工程性能差，在截污溝箱涵基礎施工時，需要將其清除，宜采取毛石混凝土換填等基底處理措施。

2 圍堰施工技術

圍堰施工前，為防止河道狹窄水流湍急段將所填筑圍堰沖刷走，先對該區(qū)段所需施工圍堰區(qū)段采用大體積噸袋進行填筑，根據(jù)距離遠近采用汽車吊或者挖掘機進行拋填。噸袋內裝滿符合施工要求的粘土，并使用鐵絲封口。噸袋填至高出正常水位0.3 m左右，頂部寬達到設計坡度需達到的寬度后，再采用挖掘機配合運輸車運輸至現(xiàn)場進行圍堰填筑，填筑高度比河道常年洪水水位高1.3 m，填筑寬度為車輛行走一側，頂寬取8 m，非行走車輛一側，頂寬取4 m，并形成1∶1的邊坡后方可停止填筑。為了加強圍堰的防沖刷抗?jié)B擋水能力，在圍堰兩側人工進行土袋圍堰堆碼，堆碼1 m寬時鋪設雙層彩條布止水，再進行另外1 m土袋圍堰堆碼作為保護，土袋圍堰堆碼要遵循相互搭接，密實平順的原則，增加圍堰的整體性和抗沖刷能力，圍堰布置如圖2所示。

由于噸袋與黏土袋需要大量黏土，本工程場地內基本為淤泥或泥夾石，不能滿足于擋水圍堰的填筑。本工程黏土采用外購的方式，需現(xiàn)場人工裝袋人工堆碼。

3 圍堰變形分析

3.1 變形失穩(wěn)分析

在施工過程中，將砂袋堆放在圍堰外側，防止?jié)B水及垮塌，對開展圍堰施工具有重要作用，如果砂袋施工不準確，造成垮塌失穩(wěn)，將直接影響施工進度及施工質量，造成大量的成本損失，因此對砂袋圍堰進行失穩(wěn)分析具有重要意義。

在施工過程中由于載荷是隨著砂袋的不斷增加而不斷增加，是一個線性遞增過程，導致在圍堰及地基的受力不均將會造成部分塌陷失穩(wěn)，隨著砂袋的不斷增加，失穩(wěn)變形也就越劇烈，如圖3所示，圍堰失穩(wěn)前后的對比圖。

通過圖3可知，圍堰失穩(wěn)將會造成圍堰塌陷，給后續(xù)的施工帶來危害，當圍堰不斷加重，兩側的淤泥包將會隆起，降低了圍堰的穩(wěn)定性，同時隨著河水的壓力，圍堰將有可能垮塌或者滑移加大后期的工作量[5-6]，因此在本文中將河水壓力考慮為極限工況，采用有限元方法模擬分析圍堰的變形情況。

3.2 變形因素理論分析

本文分析的圍堰結構承載力計算可以采用楊光華[7]提出的復雜荷載下地基極限承載力的計算公式，如式（1）所示，而通過上述對圍堰破壞形式的破壞分析，可將不同角度下的變形破壞受力Pc簡化為如圖4所示。

結合式（3）及圖4可知，圍堰的填土高度受到坡比及圍堰坡頂寬度的限制，也與受到的力密切相關，又由于高度的變化會使圍堰的變形隨之也發(fā)生變化，因此結合規(guī)范及實際工況條件，在圍堰變形過程中可將圍堰坡度及堰頂寬度作為參考因素。

3.3 圍堰結構形式分析

根據(jù)《水利水電工程圍堰設計規(guī)范SL 645—2013》（在下文中簡稱“規(guī)范”），對圍堰結構的要求，堰頂寬度應滿足施工和防汛搶險要求，土石圍堰寬度一般設置為4～12 m，對此在本工程項目中設置圍堰頂部寬度最小為4 m。考慮施工機械、材料運輸，尤其是鋼筋混凝土運輸以及裝卸需要采用25 t吊車，以及人員的行走安全，砂袋圍堰兩側需加一定寬度，同時考慮施工人力及材料成本，提出了圍堰兩邊分別加寬1 m及2 m的方案。而“規(guī)范”對于本項目采用的圍堰結構坡度沒有做出明確限定，因此結合實際工程經驗及“規(guī)范”中對沙土壤和混泥土坡比要求，設計了3種方案分析圍堰坡度對變形沉降的影響，分別是30°、45°及60°。為了加強圍堰的防沖刷抗?jié)B擋水能力，在土袋圍堰堆碼1 m寬時鋪設雙層彩條布止水，再進行堆碼1 m寬土袋圍堰作為保護。

4 模擬結果與分析

4.1 計算模型及材料參數(shù)分析

由于在實際工程中開展多因素試驗，會造成成本的浪費及施工進度的延后，因此結合上節(jié)對圍堰坡度及坡頂寬度的分析和相關學者的研究方法，采用有限元的分析方法對圍堰的變形進行分析[9-14]。砂袋采用Duncan-Chang模型進行分析，而堆砌的石塊采用VonMises模型進行分析，砂袋及堆砌材料模型均采用雙線性模型進行分析[15]。

通過借鑒前人的研究方法，在項目中對砂袋采用Duncan-Chang模型，并利用雙曲線應力應變曲線原理，通過公式分析彈性模量及泊松比，如式（4）所示：

在分析過程中，固結應力σ3減小，則K模量數(shù)可取為原來的1.2倍，在接觸面上法向剛度取值為常數(shù)10 000 N/cm。其中施工材料的參數(shù)通過查閱文獻，在本項目的施工砂袋密度設置為2.7 kN/m3，彈性模量設置為20 000 kPa，縱向抗拉強度設為50 kN/m，橫向抗拉強度設為35 kN/m，垂直滲透率為2×10-3，砂袋中的含泥量小于10%，每袋的填充量均大于80%。

4.2 模擬分析結果討論

由于圍堰模型較大，如果采用三維數(shù)值模型，將會增加較大的分析難度及處理時間，因此本文采用二維模型進行分析處理，通過建立三個不同坡度的圍堰模型，對相關的材料屬性進行加載，實際圍堰的工況條件主要是一邊受到約束，另一邊受到水壓及砂袋的自重載荷，為了更好的模擬實際工況，單獨設置一邊為固定約束，其他部位依據(jù)實際工況設定不同的載荷約束，在相同約束條件下，對比分析了不同傾斜角的變形情況，對實際施工的開展提供參考。圖5為不同傾角情況下，模型的變形云圖，從圖中可以直觀的看到變形的大小及部位。分析求解的結果與圖3圍堰變形前后的分析結論相同，在圍堰底部傾角處變形最大。

通過圖5分析可知，在相同約束條件下，模型的變形規(guī)律顯示出不同的變化，隨著角度的加大，變形呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當角度由45°增至60°時變形開始增大。結合圖5可以得出傾斜角的變化會有一個臨界值，當?shù)竭_臨界值時，變形將會達到最小，最大變形量約為到6%（變形與高度的比值），從一般可接受的工程位移量（≤20%）分析[16]，上述傾角都能滿足要求，但從實際施工成本及施工難度分析，坡度應選擇適宜。因為如果坡度過大，會使施工難度增大，坡度過小會使施工成本增加，因此，為了方便施工的順利開展，本項目在施工中采用45°進行施工，圍堰坡比為1∶1。同時為了驗證模擬方案的正確性，在項目中分別選取了小段圍堰進行三種不同傾角變形進行監(jiān)測，監(jiān)測時主要是對其中一個點的位移進行測量，測量值主要是施工完成后及投入使用前的變形位移值。將測量的值與模擬結果進行比較發(fā)現(xiàn)與模擬方案的數(shù)值基本保持一致，如圖6所示，雖然有點誤差，可能是由于在模擬分析時采用的材料模型與約束載荷與實際的有點誤差，但規(guī)律基本一致，因此該模擬分析方法可為后期工程的開展提供參考。

依據(jù)上述分析以傾角為45°的圍堰結構進行車載變形分析。根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTG D60—2015及《水利水電工程圍堰設計規(guī)范SL 645—2013》和3.2節(jié)分析，考慮運輸車輛尺寸及施工運輸現(xiàn)場實際中重載道路寬一般為6 m，同時在本項目中為了安全考慮，寬度設置為6 m及8 m進行極限重載車輛的圍堰變形模擬分析。大量文獻資料及其實驗結果顯示，輪胎接地形狀由矩形和2個半圓組成，為了簡化計算，將荷載有效地加到對應的面上，把輪胎接地形狀等效成矩形，同時為了考慮極限工況條件，結合壓強公式可知，當面積最小時，壓強最大，因此假設重型車單輪胎的著地寬度及長度分別為0.2 m和0.3 m，雙輪胎的著地寬度和長度分別為0.4 m和0.3 m，如圖7所示。

在考慮車載運輸過程中的重力問題時，以本工程中最大的混凝土運輸車輛滿載15 m3，混凝土總重約取80 t作為本文的極限工況條件，對圍堰進行變形分析。分別加載到4個位置上，每個輪胎下可施加200 kN的力。為了加快分析時間，本模型只建立了其中2個輪子受力時的簡化模型，變形云圖如圖8和9所示。

圖7為重載車輛輪胎受力的簡易示意圖，將重載車輛的輪胎與路面的接觸視為一個矩形形狀進行加載，探究分析了圍堰寬度分別為6 m和8 m時的變形情況，從圖8和圖9可以看到，寬度縮短后圍堰的變形由54 mm增加到170 mm，都滿足可接受的工程位移量（≤20%）[16]，但考慮到施工成本，因此在圍堰施工中可采用圍堰寬度為6 m進行施工。

5 結論

通過本項目的實施，可得出以下結論：

（1）結合實際工況條件，通過分析發(fā)現(xiàn)在軟土地基砂袋砂袋圍堰中，當圍堰不斷加重，兩側的淤泥包將會隆起，降低了圍堰的穩(wěn)定性，同時隨著河水的壓力，圍堰將有可能垮塌或者滑移，加大后期的維護工作量。結合理論分析了影響圍堰變形的2個因素，分別為圍堰寬度和圍堰坡度。

（2）結合圍堰設計規(guī)范，設計了3種方案分析圍堰坡度對變形沉降的影響，分別是30°、45°及60°，并采用有限元法對軟土地基砂袋圍堰不同坡角進行了變形失穩(wěn)模擬分析，并提出了最優(yōu)的砂袋圍堰坡角堆砌方案。

（3）在最優(yōu)坡角圍堰結構的基礎上，結合圍堰設計規(guī)范要求，對不同圍堰寬度的變形情況進行模擬分析，獲得了當圍堰寬度分別為6 m和8 m時的變形情況，結果表明均滿足可接受的工程位移量，為了降低施工成本可選擇6 m寬進行施工。

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（責任編輯：于慧梅）