塑鋼板樁應(yīng)用于黃河寧夏地區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

武慧芳，顧靖超，陸立國(guó)

(寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021)

黃河寧夏段自中衛(wèi)南長(zhǎng)灘翠柳溝入境至石嘴山上道坎麻黃溝出境，全程397km，穿越4個(gè)地級(jí)市，10個(gè)縣區(qū)，涉及灌溉面積816萬(wàn)畝，工業(yè)年供水量3億m3，是寧夏工農(nóng)業(yè)用水的主要來(lái)源，在寧夏經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有及其重要的地位[1- 3]。寧夏在黃河治理方面?zhèn)鹘y(tǒng)上一般采用草土埽進(jìn)占、鉛絲石籠護(hù)坡護(hù)腳。由于草土埽體長(zhǎng)期浸泡于水中，草料腐爛變質(zhì)，造成壩體沉降、變形，對(duì)防洪工程安全構(gòu)成威脅；鉛絲石籠長(zhǎng)時(shí)間在水中浸泡，鐵絲容易銹蝕斷裂，久而久之，石籠散架，失去固腳護(hù)坡的作用，給工程帶來(lái)安全隱患。近年來(lái)，又先后引進(jìn)應(yīng)用了土工格柵材料作為進(jìn)占體，格賓石籠用于護(hù)坡護(hù)腳，具有一定成效，但土工格柵材料在長(zhǎng)期日照條件下易老化，格賓石籠伴隨著長(zhǎng)期沖刷容易出現(xiàn)松垮坍塌現(xiàn)象[4- 10]。引進(jìn)河道治理新材料，展現(xiàn)黃河寧夏段特有資源優(yōu)勢(shì)，打造黃河金岸，展現(xiàn)塞上明珠獨(dú)特魅力，已迫在眉睫。

高強(qiáng)度塑組合鋼板樁是一種由高分子原材料經(jīng)特殊配方一次擠壓成型的強(qiáng)化復(fù)合材料，每片兩側(cè)設(shè)置CT圓弧形套接接頭，通過匹配連接，形成整體連續(xù)的護(hù)岸板墻，如圖1所示。具有材質(zhì)輕型、隔水性能好、抗老化、耐腐蝕、施工快捷、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可縮短施工工期，減小施工作業(yè)面，對(duì)周邊環(huán)境影響小，有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，被水利部列入《2016年水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》，已廣泛應(yīng)用于防洪、排澇、防塌陷塌方、防泥石流等自然災(zāi)害搶險(xiǎn)救災(zāi)和工程建設(shè)中[11- 13]。

圖1 塑鋼板樁結(jié)構(gòu)圖

文章通過選取黃河二期寧夏整治河段典型斷面，采用Morgenstern-Price法[14- 15]，建立高強(qiáng)度塑鋼組合板樁應(yīng)用模型，對(duì)沖刷前后有無(wú)板樁滲流場(chǎng)及護(hù)岸穩(wěn)定、塑鋼板樁進(jìn)行材料特性、石籠網(wǎng)兜穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析研究，為工程設(shè)計(jì)中穩(wěn)定性分析提供一定的建議。

1 模型及參數(shù)

1.1 典型斷面模型

選取黃河二期寧夏段河道整治工程典型斷面，堤壩用壤土或礫石土填筑，護(hù)坡用干砌石、鉛絲石籠或格賓網(wǎng)墊防護(hù)，基礎(chǔ)護(hù)根用塊石、鉛絲籠、木架四面體、混凝土四腳體拋筑，經(jīng)自然沉降及多次搶險(xiǎn)加固后逐步達(dá)到工程水下拋投根石在達(dá)到設(shè)計(jì)沖刷深度的穩(wěn)定狀態(tài)。采取塑鋼板樁時(shí)，板樁長(zhǎng)度取12m?？紤]土體來(lái)源及應(yīng)力狀態(tài)，將土體模型分為4層，依次定義為回填土、基礎(chǔ)土體I、基礎(chǔ)土體II及基礎(chǔ)土體III，各土層厚度分別為：4.5、5、4.6、5.2m，模型如圖2所示。

圖2 沖刷前后典型斷面模型

1.2 材料物理力學(xué)參數(shù)

材料物理力學(xué)參數(shù)包括土層物理力學(xué)參數(shù)見表1，石籠網(wǎng)兜材料參數(shù)見表2，塑鋼板樁抗彎性能參數(shù)見表3。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

表2 石籠網(wǎng)兜材料參數(shù)

表3 塑鋼組合板樁抗彎性能參數(shù)

1.3 抗滑穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

堤防的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按照GB50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求執(zhí)行[16]，數(shù)值見表4。

表4 堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

2 數(shù)值模擬分析[17- 22]

2.1 施工期流量工況下滲流及穩(wěn)定分析

2.1.1穩(wěn)態(tài)滲流穩(wěn)定分析

在施工期流量下，首先進(jìn)行護(hù)岸在穩(wěn)態(tài)滲流情況下的滲流場(chǎng)計(jì)算，在初始滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)之上，采用Morgenstern-Price法對(duì)護(hù)岸進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

由于塑鋼板樁防滲效果不明顯，有無(wú)板樁模型二者在孔隙水壓力、流線分布規(guī)律及浸潤(rùn)線均一致，因此，本次計(jì)算中不考慮板樁控制滲流、防止地基滲透變形的作用，計(jì)算得到的護(hù)岸在施工期流量條件下的滲流場(chǎng)如圖3所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)滲流情況下滲流場(chǎng)分布

在滲流分析結(jié)果上，進(jìn)行護(hù)岸穩(wěn)定分析。穩(wěn)定分析時(shí)采用有板樁(板樁受剪承載能力為40kN)和無(wú)板樁兩種情況進(jìn)行分析。不同情況下得到的最小穩(wěn)定安全系數(shù)及相應(yīng)滑動(dòng)面如圖4所示，兩種參數(shù)對(duì)比分析結(jié)果見表5。

圖4 穩(wěn)態(tài)滲流情況下穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動(dòng)面

表5 護(hù)岸穩(wěn)定分析結(jié)果

由上述計(jì)算成果可以看出：

(1)在施工期流量工況、無(wú)板樁的情況下，對(duì)于上游側(cè)壩坡，最小穩(wěn)定安全系數(shù)為3.360，臨界滑移面從護(hù)岸頂部距石臺(tái)約3.6m處起，經(jīng)過護(hù)岸回填土、基礎(chǔ)土體Ⅰ、基礎(chǔ)土體Ⅱ，最終從河床段滑出?；鳇c(diǎn)距護(hù)岸坡腳處9.8m左右。

(2)在施工期流量工況、有板樁的情況下，對(duì)于上游側(cè)壩坡，最小穩(wěn)定安全系數(shù)為3.776，臨界滑移面從護(hù)岸頂部距石臺(tái)約4m處起，經(jīng)過護(hù)岸回填土、基礎(chǔ)土體Ⅰ、基礎(chǔ)土體Ⅱ，貫穿板樁，最終從河床段滑出?；鳇c(diǎn)距護(hù)岸坡腳處11m左右。

(3)在施工期流量工況下運(yùn)行時(shí)，無(wú)論是否存在板樁，整體穩(wěn)定均能能滿足GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求；在其他條件相同下，護(hù)岸在有板樁情況下穩(wěn)定性優(yōu)于無(wú)板樁情況。

2.1.2瞬態(tài)滲流穩(wěn)定分析

模擬堤壩沖刷穩(wěn)定前斷面在施工期流量工況下水位驟降的情況，對(duì)堤壩滲流場(chǎng)、穩(wěn)定性進(jìn)行分析。堤壩起始位于施工期流量水位穩(wěn)定滲流狀態(tài)，5min內(nèi)從施工期流量水位1105.61m勻速下降至坡腳高程1103.61m。在施工期流量工況下，水位驟降的堤壩滲流場(chǎng)變化過程如圖5所示。

圖5 施工期流量水位驟降滲流場(chǎng)變化

在瞬態(tài)滲流分析結(jié)果上，進(jìn)行堤壩穩(wěn)定分析。穩(wěn)定分析時(shí)采用有板樁(板樁受剪承載能力為40kN)和無(wú)板樁兩種情況進(jìn)行分析。不同情況下得到的最小穩(wěn)定安全系數(shù)及相應(yīng)滑移面如圖6所示，兩種參數(shù)對(duì)比分析結(jié)果見表6。

圖6 瞬態(tài)穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動(dòng)面

表6 堤壩穩(wěn)定分析結(jié)果

由上述計(jì)算成果可以看出：

(1)在水位驟降、無(wú)板樁的情況下，對(duì)于上游側(cè)壩坡，最小穩(wěn)定安全系數(shù)為2.547，臨界滑移面從堤壩頂部距石臺(tái)約2.2m處起，經(jīng)過堤壩回填土、基礎(chǔ)土體Ⅰ、基礎(chǔ)土體Ⅱ，最終從河床段滑出?；鳇c(diǎn)距堤壩坡腳處11m左右。

(2)在水位驟降、有板樁的情況下，對(duì)于上游側(cè)壩坡，最小穩(wěn)定安全系數(shù)為2.797，臨界滑移面從堤壩頂部距石臺(tái)約3.2m處起，經(jīng)過堤壩回填土、基礎(chǔ)土體Ⅰ、基礎(chǔ)土體Ⅱ，貫穿板樁，最終從河床段滑出?；鳇c(diǎn)距堤壩坡腳處11m左右。

(3)在水位驟降下運(yùn)行時(shí)，無(wú)論是否存在板樁，整體穩(wěn)定均能能滿足GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，但其穩(wěn)定安全系數(shù)明顯小于穩(wěn)態(tài)滲流情況；在其他條件相同下，堤壩在有板樁情況下穩(wěn)定性優(yōu)于無(wú)板樁情況。

2.2 沖刷穩(wěn)定后滲流及穩(wěn)定分析

首先進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，施工期流量條件下沖刷穩(wěn)定滲流場(chǎng)分布同2.2.1，在滲流分析結(jié)果上，進(jìn)行護(hù)岸穩(wěn)定分析。穩(wěn)定分析時(shí)采用有板樁(板樁受剪承載能力為40kN)和無(wú)板樁兩種情況進(jìn)行分析。不同情況下得到的最小穩(wěn)定安全系數(shù)及相應(yīng)滑動(dòng)面如圖7所示。兩種參數(shù)對(duì)比分析結(jié)果見表7。

圖7 沖刷后有無(wú)板樁護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動(dòng)面

表7 護(hù)岸穩(wěn)定分析結(jié)果

由上述計(jì)算成果可以看出：

(1)在施工期流量、無(wú)板樁的情況下，對(duì)于上游側(cè)壩坡，最小穩(wěn)定安全系數(shù)為1.836，臨界滑移面從護(hù)岸頂部石臺(tái)右側(cè)處起，經(jīng)過護(hù)岸回填土、基礎(chǔ)土體Ⅰ、基礎(chǔ)土體Ⅱ，最終從河床段滑出。滑出點(diǎn)距護(hù)岸坡腳處1m左右。

(2)在施工期流量、有板樁的情況下，對(duì)于上游側(cè)壩坡，最小穩(wěn)定安全系數(shù)為2.023，臨界滑移面從護(hù)岸頂部距石臺(tái)右側(cè)約0.3m處起，經(jīng)過護(hù)岸回填土、基礎(chǔ)土體Ⅰ、基礎(chǔ)土體Ⅱ，貫穿板樁，最終從河床段滑出?；鳇c(diǎn)距護(hù)岸坡腳處3m左右。

(3)在施工期流量下運(yùn)行時(shí)，無(wú)論是否存在板樁，整體穩(wěn)定均能能滿足GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，但其穩(wěn)定安全系數(shù)明顯小于沖刷穩(wěn)定前情況；在其他條件相同下，護(hù)岸在有板樁情況下穩(wěn)定性優(yōu)于無(wú)板樁情況。

2.3 塑鋼板樁參數(shù)敏感度分析

2.3.1施工期流量工況(沖刷穩(wěn)定前)

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)板樁抗剪承載力為90kN，臨界滑動(dòng)面不貫穿板樁，且繼續(xù)增加板樁抗剪承載力無(wú)法有效提高護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)，具體計(jì)算結(jié)果如圖8(a)所示。因此取板樁抗剪承載力區(qū)間為[20，100]進(jìn)行分析，抗剪承載力與安全系數(shù)關(guān)系如圖8(b)所示。

圖8 沖刷穩(wěn)定前塑鋼板樁參數(shù)敏感性分析

由上述計(jì)算成果可以看出：所選斷面在沖刷穩(wěn)定前，在施工期流量下運(yùn)行時(shí)，在板樁抗剪承載力小于90kN時(shí)，提高板樁抗剪承載力能有效的提高斷面的穩(wěn)定安全系數(shù)，但當(dāng)板樁抗剪承載力大于等于90kN時(shí)，臨界滑動(dòng)面不貫穿板樁，且繼續(xù)增加板樁抗剪承載力無(wú)法有效提高護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.3.2施工期流量工況(沖刷穩(wěn)定后)

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)板樁抗剪承載力為106kN，臨界滑動(dòng)面不貫穿板樁，且繼續(xù)增加板樁抗剪承載力無(wú)法有效提高護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)，具體計(jì)算結(jié)果如圖9(a)所示。因此取板樁抗剪承載力區(qū)間為[20，110]進(jìn)行分析，抗剪承載力與安全系數(shù)關(guān)系如圖9(b)所示。

圖9 沖刷穩(wěn)定后塑鋼板樁參數(shù)敏感性分析

由上述計(jì)算成果可以看出：

(1)所選斷面在沖刷穩(wěn)定后，在施工期流量下運(yùn)行時(shí)，在板樁抗剪承載力小于106kN時(shí)，提高板樁抗剪承載力能有效的提高斷面的穩(wěn)定安全系數(shù)，但當(dāng)板樁抗剪承載力大于等于106kN時(shí)，臨界滑動(dòng)面不貫穿板樁，且繼續(xù)增加板樁抗剪承載力無(wú)法有效提高護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)。

(2)所選斷面在沖刷穩(wěn)定前、后，在板樁抗剪承載力小于某一值時(shí)，提高板樁抗剪承載力能有效的提高斷面的穩(wěn)定安全系數(shù)，但當(dāng)板樁抗剪承載力大于等于該值時(shí)，臨界滑動(dòng)面不貫穿板樁，且繼續(xù)增加板樁抗剪承載力無(wú)法有效提高護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.4 石籠網(wǎng)兜穩(wěn)定性分析

石籠網(wǎng)制成箱籠、網(wǎng)墊，用于江河、護(hù)岸及海塘的防沖刷保護(hù)，其柔性的結(jié)構(gòu)能適應(yīng)邊坡的變動(dòng)而不被破壞，比剛性結(jié)構(gòu)具備更好地安全穩(wěn)定性，同時(shí)抗沖刷能力也較強(qiáng)。

2.4.1施工期流量工況(沖刷穩(wěn)定前)

由于在沖刷前，石籠塊體較為平整的堆積在護(hù)岸土坡上，對(duì)土坡穩(wěn)定性主要起頂部蓋重作用，并且由于護(hù)岸板樁作用加固作用，在石籠材料黏聚力降c為0，內(nèi)摩擦角φ降為0°時(shí)，護(hù)岸滑移面仍不通過石籠塊體，且護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)不隨石籠材料參數(shù)變化而變化，具體計(jì)算結(jié)果見圖10(a)。

2.4.2施工期流量工況(沖刷穩(wěn)定)

由于在沖刷穩(wěn)定后，石籠塊體傾斜角度增大，存在滑移面通過石籠塊體的可能，在石籠材料黏聚力降為0，內(nèi)摩擦角降為0°時(shí)，護(hù)岸滑移面均通過石籠塊體，且護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)明顯下降，改變石籠材料參數(shù)，設(shè)黏聚力為15kPa，內(nèi)摩擦角降為0°或黏聚力為0，內(nèi)摩擦角降為45°，則存在可能滑移面通過石籠塊體，具體計(jì)算結(jié)果如圖10(b)、(c)、(d)所示。

圖10 石籠網(wǎng)兜沖刷穩(wěn)定前后護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動(dòng)面

由上述計(jì)算成果可以看出：沖刷穩(wěn)定前，石籠塊體較為平整的堆積在護(hù)岸土坡上，對(duì)土坡穩(wěn)定性主要起頂部蓋重作用；沖刷穩(wěn)定后，由于護(hù)岸傾斜角度增大，當(dāng)在石籠材料黏聚力、內(nèi)摩擦角非常小時(shí)，護(hù)岸存在滑移面通過石籠塊體，護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)也明顯下降，且黏聚力對(duì)此現(xiàn)象影響更為顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

以黃河寧夏地區(qū)護(hù)岸加高加固工程為研究對(duì)象，對(duì)護(hù)岸滲流場(chǎng)及壩坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)護(hù)岸穩(wěn)定性進(jìn)行分析。取得的主要結(jié)論如下：

(1)依據(jù)相關(guān)參數(shù)分別對(duì)沖刷穩(wěn)定前、后，護(hù)岸施工期流量工況下的穩(wěn)定滲流場(chǎng)及護(hù)岸壩坡穩(wěn)定進(jìn)行了分析。所選斷面沖刷穩(wěn)定前，在有無(wú)板樁的情況下，穩(wěn)定安全系數(shù)分別為3.776、3.360，沖刷穩(wěn)定后，穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.836、2.023，均能能滿足GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求；在其他條件相同下，護(hù)岸在有板樁情況下穩(wěn)定性優(yōu)于無(wú)板樁情況。

(2)模擬護(hù)岸沖刷穩(wěn)定前斷面在施工期流量工況下水位驟降的情況，計(jì)算其不同時(shí)間的滲流場(chǎng)及護(hù)岸壩坡穩(wěn)定性，在水位驟降下時(shí)，在有無(wú)板樁的情況下，穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.797、2.547，均能能滿足要求，但其穩(wěn)定安全系數(shù)明顯小于穩(wěn)態(tài)滲流情況；在其他條件相同下，護(hù)岸在有板樁情況下穩(wěn)定性優(yōu)于無(wú)板樁情況。

(3)通過研究高強(qiáng)度塑鋼組合板樁及石籠材料參數(shù)變化，對(duì)護(hù)岸進(jìn)行了敏感性分析，得到材料特性與護(hù)岸穩(wěn)定性的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明：在板樁抗剪承載力小于某一值時(shí)，提高板樁抗剪承載力能有效的提高斷面的穩(wěn)定安全系數(shù)，但當(dāng)板樁抗剪承載力大于等于該值時(shí)，臨界滑動(dòng)面不貫穿板樁，且繼續(xù)增加板樁抗剪承載力無(wú)法有效提高護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)；在護(hù)岸傾角較小時(shí)，石籠塊體較為平整的堆積在護(hù)岸土坡上，對(duì)土坡穩(wěn)定性主要起頂部蓋重作用；在護(hù)岸傾斜角度增大，且石籠材料黏聚力、內(nèi)摩擦角非常小時(shí)，護(hù)岸存在滑移面通過石籠塊體，護(hù)岸穩(wěn)定安全系數(shù)也明顯下降，且黏聚力對(duì)此現(xiàn)象影響更為顯著。