拋填飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土圍堰穩(wěn)定性分析

江平,楊航,朱碧堂,2b,黃建宇,王浩,黃勇,劉斯浩

（1. 江西省港航建設(shè)投資集團(tuán) 港航運(yùn)輸有限公司，南昌 330008；2. 華東交通大學(xué) a.土木建筑學(xué)院；b. 江西省地下空間技術(shù)開發(fā)工程研究中心，南昌 330013；3. 南昌龍行港口集團(tuán)有限公司，南昌 330029；4. 江西交遠(yuǎn)物流有限公司，南昌 330029；5. 江西省路港工程有限公司，南昌 330029；6. 江西省航道工程局，南昌 330000）

在水利水電和航運(yùn)樞紐工程中，圍堰是為了進(jìn)行施工導(dǎo)流、保證水工或航運(yùn)建筑進(jìn)行干地施工或檢修的重要臨時(shí)性擋水建筑物[1-2]。圍堰的安全與穩(wěn)定不僅可保證整個(gè)工程施工的順利進(jìn)行，且對(duì)下游居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義[3]。

圍堰的破壞包括滲透破壞和堰體失穩(wěn)破壞。迄今為止，有關(guān)圍堰的滲透破壞和堰體失穩(wěn)破壞及整治措施尚未形成完整、系統(tǒng)的評(píng)估體系[4-5]，且現(xiàn)有評(píng)估體系很少涉及黏性土圍堰填料強(qiáng)度的時(shí)變特性[6]，不能有效、真實(shí)地反映拋填飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土圍堰堰坡的變形和穩(wěn)定性狀態(tài)。另外，隨著傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化監(jiān)測與失穩(wěn)預(yù)警技術(shù)在邊坡工程中得到了廣泛運(yùn)用[7-8]，但在臨時(shí)圍堰工程中應(yīng)用較少，尚未建立圍堰邊坡穩(wěn)定性的預(yù)警指標(biāo)和安全評(píng)判指標(biāo)。

初步設(shè)計(jì)時(shí)，江西省信江雙港航運(yùn)樞紐工程采用土石圍堰，但由于周邊填筑材料短缺，且臨近汛期，工期緊，最終決定采用導(dǎo)流明渠浚挖的飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土代替土石料，采用挖泥船水上拋填作業(yè)，形成圍堰，進(jìn)行施工導(dǎo)流。飽和粉質(zhì)黏土受浚挖和拋填雙重?cái)_動(dòng)，強(qiáng)度低且在堰體內(nèi)分布極不均勻，不僅圍堰難于成型，且運(yùn)行期內(nèi)易發(fā)生堰坡失穩(wěn)。目前有關(guān)飽和粉質(zhì)黏土全年圍堰成功經(jīng)驗(yàn)極少。為了評(píng)估這類圍堰堰坡的穩(wěn)定性、探究水位漲落條件下拋填飽和粉質(zhì)黏土圍堰邊坡的變形破壞模式，采用有限元軟件PLAXIS，依據(jù)信江最高洪水位年（1998年）雙港壩址流量資料并考慮全年水位漲落變化對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響，對(duì)信江雙港航運(yùn)樞紐上下游橫向圍堰開展不同水位及不同水位升降速率條件下的穩(wěn)定性計(jì)算分析，針對(duì)拋填形成的圍堰土體強(qiáng)度變化范圍大、受降水和蒸發(fā)影響明顯的特性，開展堰坡穩(wěn)定性的敏感性分析，基于數(shù)值模擬分析和安全系數(shù)與堰體變形的關(guān)系，提出對(duì)堰體進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控的預(yù)警和報(bào)警值。

1 工程概況

1.1 施工概況

江西信江雙港航運(yùn)水利樞紐圍堰為全年圍堰，全長2 454 m，包括450 m上游橫向圍堰、1 459 m中游縱向圍堰和545 m下游橫向圍堰。根據(jù)《水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 645—2013）參考引用的規(guī)定，圍堰設(shè)計(jì)級(jí)別為Ⅳ級(jí)，土石結(jié)構(gòu)導(dǎo)流建筑物相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇。根據(jù)信江流域水文資料統(tǒng)計(jì)分析，雙港航運(yùn)樞紐枯水時(shí)段圍堰設(shè)計(jì)流量Q按7 000 m3/s設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)水位為13.92 m，洪水時(shí)段流量Q按12 000 m3/s設(shè)計(jì)，10 a一遇設(shè)計(jì)洪水位為19.94 m。圍堰頂高按發(fā)生10 a一遇洪水考慮，考慮1.0 m的爬高，堰頂設(shè)計(jì)高程取為21 m。圍堰工程布置如圖1所示。

圖1 圍堰工程總體布置Fig. 1 Orerall arrangement of cofferdam project

上下游圍堰迎水面坡度為1：5，布置袋裝砂護(hù)坡和土工布組合防滲，背水面坡度為1：4，圍堰內(nèi)部閉氣結(jié)構(gòu)為單排水泥攪拌樁止水帷幕+單排高壓旋噴樁防滲墻組合防滲。

上下游圍堰水下部分采用明渠開挖的飽和粉質(zhì)黏土，采用挖泥船進(jìn)行水上拋填成型，水上以外購山皮土為主，分層堆筑而成。明渠開挖采用挖泥船進(jìn)行疏浚，開挖的土層以黃色飽和粉質(zhì)黏土（圖2）為主，夾雜著灰色淤泥質(zhì)土（圖3）。通過現(xiàn)場觀察可見，由于受開挖和水流影響，浚挖的土體表面含水量高、強(qiáng)度低，而內(nèi)部存在未擾動(dòng)的土塊，導(dǎo)致土體強(qiáng)度極度不均。同時(shí)，采用挖泥船在水面直接拋填，土體在水中崩解、分散下沉，受到二次擾動(dòng)，導(dǎo)致用于填筑圍堰的粉質(zhì)粘土夾淤泥質(zhì)土軟化嚴(yán)重（圖4）。

圖2 浚挖的粉質(zhì)黏土Fig. 2 Dredged silty clay

圖3 浚挖的淤泥質(zhì)土Fig. 3 Dredged soft clay

圖4 拋填的粉質(zhì)黏土Fig. 4 Dumped silty clay

1.2 水文及地質(zhì)條件

在信江水文監(jiān)測中，未在雙港壩址處設(shè)水文觀測站。因此，雙港壩址處逐日水位由壩址上游波陽及下游龍口水文站插值得到?？紤]到1978年前后河道整治和近年來湖區(qū)及河道內(nèi)挖沙對(duì)水位下切的影響以及資料的連續(xù)性，采用1991年以后的同期波陽、龍口站實(shí)測水位和推算的雙港壩址流量資料進(jìn)行水位流量關(guān)系分析。圖5為歷史最高洪水位年（1998年）逐日水位變化關(guān)系曲線圖，最高水位為20.84 m，發(fā)生在8月份，平均漲幅0.64 m/d。

圖5 1998年最高水位年逐日水位變化關(guān)系曲線Fig. 5 Daily water level change curve in highest water level year 1998

據(jù)地面調(diào)查和鉆探揭露，壩址河床地層主要由第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）及第三系新余群（Exn）組成。原河床巖性自上而下依次劃分為：①粉質(zhì)黏土，約2.5 m厚；②淤泥質(zhì)土，約0.6 m厚；③-1中砂，約3.6 m厚；③-2礫砂，約1.05 m厚；④圓礫，約6 m厚；⑤強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。第②層呈透鏡體和尖滅分布形態(tài)，導(dǎo)致水下圍堰填筑材料以粉質(zhì)黏土為主，夾雜淤泥質(zhì)土。

1.3 圍堰填筑材料力學(xué)特性

根據(jù)拋填施工概況的描述，上下游圍堰材料包括水下部分拋填飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土和水上堆填的山皮土（以粉質(zhì)黏土為主）。值得說明的是，在圍堰填筑過程中發(fā)現(xiàn)，上、下游橫向圍堰在河流主槽處堰體填筑高度大，在后續(xù)填筑材料自重作用下，軸線處先期填筑的飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土不斷向圍堰外側(cè)和基坑內(nèi)側(cè)擠出，圍堰長時(shí)間達(dá)不到穩(wěn)定，最后通過削坡設(shè)置馬道反壓平臺(tái)，穩(wěn)定堤心，才形成了坡度為1：4～1：5的平緩圍堰堰體。通過對(duì)成型穩(wěn)定后的圍堰進(jìn)行鉆孔分析，圍堰最終的填筑形狀近似如圖6所示。

為了解圍堰拋填土體的力學(xué)特性，先后通過原位地質(zhì)鉆孔取樣、挖泥船中取樣和在成型穩(wěn)定后的圍堰上取樣，進(jìn)行室內(nèi)測試分析。表1為在不同階段得到的圍堰拋填材料固結(jié)不排水剪強(qiáng)度參數(shù)?？Ｍ诤笸馏w強(qiáng)度遠(yuǎn)比原位取土得到的強(qiáng)度小，也比拋填成型后的強(qiáng)度小，并且浚挖和拋填后的土樣強(qiáng)度變化范圍大，不均勻性高。這反映了隨機(jī)拋填以及浚挖和拋填雙重?cái)_動(dòng)引起堰體材料離散性大的力學(xué)特性，同時(shí)，容易受夏季降雨和水分蒸發(fā)等多種因素的影響（注：拋填成型后取土在2019年9月—10月枯水期進(jìn)行，圍堰已固結(jié)3個(gè)月）。

表1 圍堰拋填材料不同階段強(qiáng)度參數(shù)Table 1 Strength parameters of cofferdam backfill material at different stages

2 圍堰邊坡穩(wěn)定性分析

圍堰的穩(wěn)定性對(duì)保證整個(gè)工程施工的順利進(jìn)行和下游居民生命財(cái)產(chǎn)安全意義重大。除了自重作用下的穩(wěn)定性外，在圍堰內(nèi)外水位差條件下，由于滲流也會(huì)導(dǎo)致堰體失穩(wěn)[9-14]。筆者通過有限元數(shù)值模擬分析圍堰堰體、堰基和防滲墻的穩(wěn)定性，為圍堰的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供安全預(yù)警。

2.1 計(jì)算方法

采用PLAXIS 2D巖土工程有限元分析軟件，對(duì)堰體、堰基材料選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型、高壓旋噴防滲墻采用彈性材料，對(duì)拋填飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土圍堰邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。根據(jù)《水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 645—2013）[15]，圍堰設(shè)計(jì)級(jí)別為Ⅳ時(shí)，圍堰邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取K≥1.05。

由于圍堰內(nèi)外水位的漲落瞬態(tài)變化，在對(duì)圍堰滲透穩(wěn)定性分析時(shí)需考慮瞬態(tài)滲流和流固耦合[16]，即考慮滲流場與應(yīng)力場的相互耦合作用。在PLAXIS滲透分析時(shí)，假設(shè)土體中孔隙水流動(dòng)符合Darcy定律。

圍堰的穩(wěn)定計(jì)算采用強(qiáng)度折減法，即通過引入土體強(qiáng)度折減系數(shù)∑Msf，使土體的強(qiáng)度參數(shù)c和φ及抗拉強(qiáng)度逐步減小，直到土體發(fā)生破壞。∑Msf定義為

式中：φinput、cinput分別為輸入的土體內(nèi)摩擦角和黏聚力；φreduce、creduce分別為拆減后的土體內(nèi)摩擦角和黏聚力。如果計(jì)算模型不收斂，表明堰體或堰基達(dá)到完全破壞，相應(yīng)的安全系數(shù)為

運(yùn)用強(qiáng)度折減法計(jì)算圍堰邊坡的穩(wěn)定問題時(shí)，判別邊坡發(fā)展演化是否達(dá)到臨界狀態(tài)是關(guān)鍵之一。失穩(wěn)判據(jù)主要有3種：

1）以有限元計(jì)算過程中力和位移是否收斂作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2）認(rèn)為邊坡內(nèi)塑性區(qū)域或廣義剪應(yīng)變貫通即為邊坡失穩(wěn)。

3）以選取特征點(diǎn)的位移發(fā)生突變?yōu)槭Х€(wěn)破壞標(biāo)志。

為觀察圍堰邊坡滑移面形狀和破壞機(jī)制是否得到充分發(fā)展，選取判據(jù)2）和判據(jù)3）作為圍堰失穩(wěn)破壞的判別標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 工況設(shè)置

依據(jù)現(xiàn)場鉆孔獲取的圍堰地層斷面圖，選取上下游河流主槽內(nèi)的合攏段進(jìn)行分析計(jì)算，相應(yīng)的堰體和堰基地質(zhì)剖面如圖6所示。材料模型參數(shù)見表2，考慮到圍堰材料的高度不均勻性，有限元分析時(shí)采用拋填成型后的最不利指標(biāo)（最小值）。考慮到影響圍堰材料強(qiáng)度參數(shù)多（包括浚挖、拋填擾動(dòng)、降雨和蒸發(fā)、自重固結(jié)等），在敏感性分析中進(jìn)一步考慮了強(qiáng)度參數(shù)的增減。

表2 圍堰堰體和堰基材料物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of the materials in cofferdam body and base

為模擬圍堰竣工后的全年運(yùn)營情況、在水位變化情況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化，計(jì)算工況包括枯水期（工況A1）和洪水位（工況B2）穩(wěn)定滲流、水位以不同速度從枯水期水位上漲至洪水位(工況C3～C6)、水位以不同速度從枯水期水位上漲至洪水位后以不同速率降至枯水位（D7～D10）等10個(gè)工況，如表3所示。

表3 圍堰穩(wěn)定計(jì)算工況Table 3 Calculation cases of cofferdam stability analysis

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

各計(jì)算工況所得圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)列于表4，部分典型工況的安全系數(shù)和滑移面（紅色箭頭標(biāo)識(shí)部分為滑動(dòng)體）示于圖7～圖10。

表4 各工況穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of stability safety factor of each working case

圖7 枯水期安全系數(shù)與危險(xiǎn)滑移面位置 (工況A1)Fig. 7 Safety factor and location of dangerous slip plane at dry season (LC A1)

圖8 洪水期安全系數(shù)與危險(xiǎn)滑移面位置(工況B2)Fig. 8 Safety factor and location of dangerous slip plane at flood period (LC B2)

圖9 水位以0.1 m/d上升時(shí)安全系數(shù)與危險(xiǎn)滑移面位置(工況C4)Fig. 9 Safety factor and location of dangerous slip plane for water level rising at 0.1 m/d (LC C4)

1）采用拋填成型后的最小強(qiáng)度參數(shù)，所有計(jì)算工況的安全系數(shù)均大于1.05；在設(shè)計(jì)枯水位、設(shè)計(jì)洪水位及不同水位漲落條件下，拋填飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土圍堰穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。這表明采用坡比很?。?：4～1：5）的拋填軟粘土圍堰，通過削坡設(shè)置馬道反壓平臺(tái)，可確保圍堰的安全穩(wěn)定；

2）所有工況發(fā)生潛在滑移的土體均位于背水側(cè)堰體內(nèi)，背水側(cè)坡度較大，為滲透出流面。對(duì)于上游圍堰，滑移面位于馬道平臺(tái)以下，而下游圍堰滑移面從坡腳貫通到堰頂，主要是兩者最終形成的堰體土層分布不同。相應(yīng)地，下游圍堰的安全系數(shù)比上游圍堰的安全系數(shù)大。從安全角度考慮，應(yīng)降低圍堰背水面坡度；

3）汛期高水位穩(wěn)定滲流工況（B2）的安全系數(shù)為1.162，小于枯水位穩(wěn)定滲流工況A1的1.195。這主要是由于在高水位條件下，堰內(nèi)滲透壓力增大的緣故。但在工程實(shí)踐中，還必須考慮水位上升后，圍堰黏性填筑材料由于浸水后抗剪強(qiáng)度降低，從而引起圍堰的失穩(wěn)破壞；

4）堰外水位上升（工況C3～C6）時(shí)的安全系數(shù)小于枯水位穩(wěn)定滲流工況A1，隨著水位上升速度的增加，安全系數(shù)稍有增加。這主要是高水位上升速度小于低水位上升速度條件下的堰體滲透力?？偟膩砜?，水位上升速度對(duì)堰體的穩(wěn)定安全系數(shù)影響不大；

5）堰外水位下降(工況D7～D10)得到的安全系數(shù)小于水位上升的工況（C3 ～C6），并且下降速度越快，圍堰的安全系數(shù)越小。 這主要是由于黏性填筑材料較低的滲透性，當(dāng)堰外水位消落時(shí)圍堰內(nèi)部水位來不及排出，使得堰體重量增大，并存在未能及時(shí)消散且梯度變化較大的孔隙水壓力，形成向坡外的非穩(wěn)定滲流，不利于圍堰穩(wěn)定，特別是對(duì)于坡比較陡、水位臨空的背水面邊坡，易出現(xiàn)貫通的滑弧破壞。

6）總的來看，水位漲落對(duì)拋填粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土的圍堰堰體穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小，該結(jié)果與常規(guī)土石圍堰結(jié)果不同，因?yàn)橐话阏J(rèn)為水位降落對(duì)土石壩或圍堰的安全系數(shù)影響較大。主要原因可能是由于拋填粉質(zhì)黏土和外購山皮土的滲透系數(shù)均很小，在瞬態(tài)滲流分析時(shí)，背水面處的滲透壓力變化不大。圖11給出了幾種典型工況下背水面馬道邊緣處的孔隙水壓力沿深度的分布曲線，可見，各工況之間的滲壓差別不大。

圖11 上下游馬道邊緣處孔隙水壓力沿深度分布（工況A1、B2、C4和D8）Fig. 11 Distribution of pore water pressure along depth at the edge of upsteam and downsteam bridleway（LC-A1, B2, C4 and D8）

3 圍堰邊坡參數(shù)敏感性分析

3.1 敏感性分析方案

由于浚挖和隨機(jī)拋填雙重?cái)_動(dòng)、運(yùn)營期間降雨和蒸發(fā)以及自重固結(jié)等多因素影響，飽和粉質(zhì)黏土堰體強(qiáng)度呈現(xiàn)高度不均勻性。因此，有必要對(duì)圍堰邊坡穩(wěn)定進(jìn)行敏感性分析[17-19]。

以工況C3為例，依據(jù)先導(dǎo)孔勘報(bào)告土樣檢測結(jié)果，計(jì)算得出堰體土層主要參數(shù)指標(biāo)的平均變化幅值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行敏感性分析，包括明渠開挖土（拋填飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土）內(nèi)摩擦角(增大和降低2o)、黏聚力(增大或降低3 kPa)、滲透系數(shù)（增大或降低10倍），外購?fù)羶?nèi)摩擦角(增大和降低2o)、黏聚力(增大或降低5 kPa)和滲透系數(shù)（增大或降低10倍），防滲墻滲透系數(shù)（增大或降低10倍），其余參數(shù)及邊界條件與基本工況相同。

3.2 敏感性分析結(jié)果討論

圖12～圖18分別給出了堰體明渠開挖土內(nèi)摩擦角、黏聚力、滲透系數(shù)，外購?fù)羶?nèi)摩擦角、黏聚力、滲透系數(shù)以及防滲墻滲透系數(shù)對(duì)圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)Fs的影響。

圖12 明渠開挖土內(nèi)摩擦角對(duì)圍堰安全系數(shù)影響Fig. 12 Effect of internal friction angle of dredged soil on cofferdam safety factor

圖18 防滲墻滲透系數(shù)對(duì)圍堰安全系數(shù)影響Fig. 18 Effect of permeability of cut-off wall on cofferdam safety factor

1）明渠開挖土內(nèi)摩擦角、黏聚力顯著影響圍堰邊坡穩(wěn)定性。隨著明渠開挖土內(nèi)摩擦角和黏聚力的增長，圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)近似線性增長，當(dāng)明渠開挖土內(nèi)摩擦角降低2o或黏聚力降低3 kPa時(shí)，上下游圍堰的穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.05，不滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。因此，強(qiáng)度是控制圍堰失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。

圖13 明渠開挖土黏聚力對(duì)圍堰安全系數(shù)影響Fig. 13 Effect of cohesion of dredged soil on cofferdam safety factor

圖14 明渠開挖土滲透系數(shù)對(duì)圍堰安全系數(shù)影響Fig. 14 Effect of permeability of dredged soil on cofferdam safety factor

圖15 山皮土內(nèi)摩擦角對(duì)圍堰安全系數(shù)影響Fig. 15 Effect of internal friction angle of hill-skill soil on cofferdam safety factor

圖16 山皮土黏聚力對(duì)圍堰安全系數(shù)影響Fig. 16 Effect of cohesion of hill-skill soil on cofferdam safety factor

圖17 山皮土滲透系數(shù)對(duì)圍堰安全系數(shù)影響Fig. 17 Effect of permeability of hill-skill soil on cofferdam safety factor

2）當(dāng)明渠開挖土滲透系數(shù)為10-4～10-6cm/s量級(jí)時(shí)，圍堰穩(wěn)定性程度會(huì)隨著其數(shù)值的增大而減小，但由于上下游圍堰填土的分布差異，滲透系數(shù)變化對(duì)上游圍堰穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響較小，而對(duì)下游圍堰安全系數(shù)影響則較為明顯。

3）由于圍堰失穩(wěn)主要發(fā)生在背水面拋填飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥層內(nèi)，圍堰安全穩(wěn)定性受外購山皮土內(nèi)摩擦角、黏聚力和滲透系數(shù)的變化影響差異不大。

4）防滲墻滲透系數(shù)在一定范圍變動(dòng)時(shí)，上下游圍堰的安全系數(shù)只降低了4%～6%，這是由于拋填粉質(zhì)黏土和外購山皮土的滲透系數(shù)(10-5cm/s)較小、可視為不透水堰體的緣故。

綜上所述，影響圍堰邊坡穩(wěn)定的因素依次為：明渠土內(nèi)摩擦角、黏聚力、防滲墻滲透系數(shù)、明渠土滲透系數(shù)、山皮土內(nèi)摩擦角、山皮土黏聚力、山皮土滲透系數(shù)。

4 實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警值

通過參數(shù)敏感性分析發(fā)現(xiàn)，拋填粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度決定了圍堰的穩(wěn)定性，然而由于開挖和拋填雙重?cái)_動(dòng)、運(yùn)營期間降雨和蒸發(fā)以及自重固結(jié)等多因素影響，堰體黏性土強(qiáng)度極為不均，為圍堰的穩(wěn)定安全控制帶來極大隱患。因此，對(duì)圍堰進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)控預(yù)警是確保圍堰安全運(yùn)營的重要手段，而實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警的關(guān)鍵在于預(yù)警值的確定。

以下游圍堰為例，當(dāng)拋填土內(nèi)摩擦角、黏聚力分別降低3o和4 kPa時(shí)，在最不利工況B2（高洪水位滲流）條件下，圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)從1.188下降至約1.0，整個(gè)背水面邊坡處于臨界破壞狀態(tài)（表5）。因此，建議對(duì)上下游橫向圍堰背水面邊坡（河流主槽段和灘地淤泥質(zhì)層段）進(jìn)行全方位的側(cè)向變形、滲壓及降雨量遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控，隨時(shí)獲知圍堰的變形穩(wěn)定狀態(tài)[20-23]。圖19所示為上游和下游圍堰自動(dòng)監(jiān)控位置，上、下游圍堰背水面邊坡區(qū)域共布設(shè)13個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中，除了5個(gè)在圍堰軸向線外，另7個(gè)布置在背水面不穩(wěn)定滑坡主體的馬道處。

圖19 圍堰邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)控測點(diǎn)布置Fig. 19 Real-time monitoring of cofferdam slopes

表5 工況B2降低強(qiáng)度參數(shù)與原參數(shù)穩(wěn)定性對(duì)比Table 5 Comparison of stability between reduced strength parameters and initial parameters under condition B2

此外，對(duì)邊坡失穩(wěn)進(jìn)行預(yù)警預(yù)測時(shí)，選擇坡體特征點(diǎn)位移量作為變形預(yù)警的界定依據(jù)是評(píng)估滑坡穩(wěn)定性的有效方法。如圖20所示，當(dāng)圍堰接近失穩(wěn)破壞時(shí)，背水面馬道坡頂處最大側(cè)向變形隨著時(shí)間的變化經(jīng)歷了初始固結(jié)變形階段、早期等速變形階段、破壞前加速變形階段和破壞時(shí)急劇加速階段。

圖20 下游圍堰合攏處背水面最大側(cè)向變形隨時(shí)間變化關(guān)系（Fs ＜1.0）Fig. 20 Relationship between the maximum lateral deformation of the back water surface at the berm of downstream cofferdam and time （Fs ＜1.0）

結(jié)合圖21分析結(jié)果，在實(shí)施自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警時(shí)，可將破壞時(shí)的急劇變形速率作為堰坡失穩(wěn)的報(bào)警值[24-25]，依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497—2019）[26]，取70%報(bào)警值為預(yù)警值。相應(yīng)的圍堰側(cè)向變形報(bào)警值和預(yù)警值分別為1.5～2.0、1.1～1.5 mm/d。

圖21 下游圍堰合攏處背水面最大側(cè)向變形速率隨時(shí)間變化關(guān)系（FOS＜1.0）Fig. 21 Relationship between the maximum lateral movement rate of the back water surface at the berm of the downstream cofferdam and time （FOS＜1.0）

5 結(jié)論

以江西信江雙港航運(yùn)樞紐工程上下游圍堰為例，研究拋填飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土圍堰在不同地質(zhì)截面、不同水位、不同水位變化速度工況下的圍堰邊坡穩(wěn)定問題，并針對(duì)拋填土體的強(qiáng)度的高度不確定性，對(duì)影響圍堰穩(wěn)定的主要因素開展了敏感性分析，并通過圍堰邊坡臨界狀態(tài)（安全系數(shù)接近1.0）條件下的變形分析，給出了確定圍堰實(shí)時(shí)監(jiān)控的預(yù)警值。通過計(jì)算分析得出以下結(jié)論：

1）水下拋填形成的飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土圍堰，通過水上堆填外購黏土穩(wěn)定堤心，采用坡度為1：4～1：5的平緩圍堰邊坡，通過削坡設(shè)置反壓平臺(tái)形成的堰體結(jié)構(gòu)，在河道水位周期漲落條件下，其穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

2）拋填飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土和上覆外購黏土形成的圍堰，其穩(wěn)定性受拋填飽和粉質(zhì)黏土夾淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度控制，但由于拋填土受開挖和拋填雙重?cái)_動(dòng)以及環(huán)境因素影響，其強(qiáng)度不確定性大，主體結(jié)構(gòu)施工期間，為確保圍堰全年穩(wěn)定，應(yīng)對(duì)圍堰側(cè)向變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警。

3）對(duì)江西信江雙港航運(yùn)樞紐工程上下游圍堰工程提出圍堰最大側(cè)向變形預(yù)警和報(bào)警值分別為1.1～1.5、1.5～2.0 mm/d。