基于PLAXIS模擬的混合式堤防結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

張志遠(yuǎn)

(廣州市珠江前后航道流域事務(wù)中心，廣州 510640)

0 引 言

混合式堤防在我國(guó)沿海地區(qū)堤防工程的應(yīng)用越來(lái)越越廣泛，堤防斷面的設(shè)計(jì)滿足防洪潮要求，根據(jù)規(guī)劃體現(xiàn)堤岸的親水性，同時(shí)兼顧旅游觀光、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及城市整體建設(shè)等。沈志平在潭江河某段治理工程選取5種組合型堤型以改善臺(tái)山段河道現(xiàn)狀；劉鵬晨、王紅霞以混合式堤防工程為例，對(duì)提標(biāo)斷面堤型、護(hù)坡結(jié)構(gòu)、防浪墻加固形式進(jìn)行方案比選；項(xiàng)印玉等學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于混合式堤防上平均越浪量的主要計(jì)算方法進(jìn)行綜合分析比較，并結(jié)合工程實(shí)例提出計(jì)算方法的可靠性[1-6]。

番禺區(qū)江環(huán)水繞，境內(nèi)河網(wǎng)縱橫，現(xiàn)階段工程區(qū)范圍內(nèi)堤段防洪標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，文章以廣州市珠江大學(xué)城段堤防建設(shè)工程為研究背景，在對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)分段評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際施工采用理正軟件和PLAXIS 2D 有限元軟件計(jì)算不同工況下新建混合式堤防的穩(wěn)定性，以期為該水利工程建設(shè)提供技術(shù)參考，擬通過(guò)整治提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，提升防洪排澇保障能力，推動(dòng)區(qū)域水利跨越發(fā)展。

1 工程概況

工程所在地位于大學(xué)城(小谷圍島)的對(duì)岸，珠江廣州河段的新造水道南岸，北望大學(xué)城。工程設(shè)計(jì)洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為200a一遇，堤防工程級(jí)別為1級(jí)，穿堤建筑物工程級(jí)別為1級(jí)。工程起點(diǎn)位于思賢水閘(樁號(hào)0+000.00)，終點(diǎn)位于員崗水閘(樁號(hào)10+099)，整治岸線全長(zhǎng)10.099km。新建堤防主要堤型為斜坡式、混合式兩種堤型，本次設(shè)計(jì)整治堤段共計(jì)13段，整治長(zhǎng)度4541m，其中新建堤防3112m，舊堤改造1429m；重建、新建穿堤涵閘共13座。

工程主要存在的問(wèn)題主要有以下4個(gè)方面：

1)防洪潮標(biāo)準(zhǔn)低：工程現(xiàn)狀部分堤段已建有堤防，但堤頂高程及堤頂寬均不能滿足1級(jí)堤防的規(guī)范要求，部分已建堤段堤防老化，年久失修，不能達(dá)到規(guī)范要求的防洪潮標(biāo)準(zhǔn)；局部堤段現(xiàn)狀無(wú)護(hù)岸，存在一定的安全隱患。

2)堤岸結(jié)構(gòu)型式單一，不能滿足生態(tài)堤防的要求：工程現(xiàn)狀堤防多為漿砌石或干砌石，無(wú)任何生態(tài)措施，更無(wú)景觀設(shè)計(jì)，嚴(yán)重影響珠江兩岸及番禺區(qū)的自然環(huán)境，制約人水和諧生態(tài)型水利事業(yè)的發(fā)展。

3)堤岸穿堤建筑物老化：工程穿堤涵閘較多，部分穿堤涵閘由于建成年代久遠(yuǎn)，工程現(xiàn)已老化，年久失修，危及堤防安全。且缺少閘門(mén)控制，每遇外江高水位時(shí)，江水倒灌至排水管網(wǎng)，從窨井冒出，出現(xiàn)水浸街等內(nèi)澇現(xiàn)象。

4)工程護(hù)堤線不明確，違章建筑較多：部分居民及工廠直接將房子建于岸邊，嚴(yán)重影響堤防工程的建設(shè)，堤頂防汛道路標(biāo)準(zhǔn)較低，部分路段路面高低不平，將影響防汛搶險(xiǎn)。

2 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

2.1 地形地貌

工程區(qū)內(nèi)為珠江三角洲淤積、沖積平原地貌與剝蝕殘山地貌為主。圍堤與堤內(nèi)工廠、堆砂場(chǎng)、油罐碼頭以及居民區(qū)無(wú)明顯分界，僅部分地區(qū)可見(jiàn)較為完整的堤形，部分堤段堤路合一，堤頂高程一般1.5～4.0m。堤外多無(wú)灘，僅在新基村至涌口水閘西側(cè)附近，有外灘，寬30～100m，外灘灘面高程一般1～2m。迎水面均為直立干砌石或漿砌石擋墻，擋墻墻腳多處于水下。

2.2 堤基巖土物理力學(xué)性質(zhì)

工程區(qū)主要被第四系填土層和沖積層覆蓋。河道沿線巖土可分4大層，自上而下依次為：①人工填土(Q4s)、②第四系全新統(tǒng)河流沖積層(Q4al)、③第四系上更新統(tǒng)河流沖積相(Q3al)、④風(fēng)化基巖。

堤基主要由黏性土、淤泥、淤泥質(zhì)黏土及砂層等組成，堤基結(jié)構(gòu)較多，主要為I3類(lèi)堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)和Ⅲ2類(lèi)堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)，分別占到全堤段的33.6%和20.5%；其次為Ⅲ1類(lèi)堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)和Ⅲ3類(lèi)堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)，分別占到總長(zhǎng)的10.1%和12.6%；Ⅰ1類(lèi)、I2類(lèi)、Ⅱ1類(lèi)、Ⅱ2類(lèi)、Ⅱ3類(lèi)、Ⅲ4類(lèi)堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布有限，合計(jì)占總長(zhǎng)約23%。不同層位巖土物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 堤身工程特性

由于工程區(qū)沿江堤防是在歷經(jīng)不同的時(shí)代、分不同的地段經(jīng)多次加高培厚而成現(xiàn)在的規(guī)模，因此各堤段堤身物質(zhì)組成不盡相同，填筑料受當(dāng)?shù)貤l件制約，多為就地取材，總體上堤身多由砂質(zhì)黏性土層組成，各處的含泥量不同，但壓實(shí)程度大多較好，部分堤段表部為礫砂及碎石，部分堤段堤頂已被混凝土硬化路面，導(dǎo)致不同堤段堤身的滲透性存在較大差異。堤身主要存在的安全隱患為部分堤段的堤頂高程不足，當(dāng)遇到特大洪水與高潮水位時(shí)可能會(huì)造成漫堤。

沿岸堤身均回填有填土，整體厚度不均，鉆孔揭露厚度約1.6～7.0m，相應(yīng)底板高程為-4.8～0.9m，堤身主要由粉質(zhì)黏土組成，部分堤段砂質(zhì)含量較高，局部堤段表層含有混凝土碎塊、煤渣等，填土下部均分布有淤泥或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。主體堤身密實(shí)度一般，干密度ρd為1.47～1.50g/cm3，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)為8～10擊，平均為9擊，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔注水試驗(yàn)滲透系數(shù)約為K=5.02×10-4～3.16×10-5cm/s，平均滲透系數(shù)為1.28×10-4cm/s，屬弱～中等透水性，局部堤段滲漏嚴(yán)重。

2.4 工程地質(zhì)分段及評(píng)價(jià)

綜合分析項(xiàng)目區(qū)工程地質(zhì)條件，將堤防劃分為工程地質(zhì)條件好(A)、較好(B)、較差(C)和差(D)4類(lèi)：

工程堤防主要為C類(lèi)和D類(lèi)，占總長(zhǎng)分別為52.7%和35.7%，其次為A類(lèi)和B類(lèi)，占總長(zhǎng)分別為5.4%和6.2%。A類(lèi)堤基工程地質(zhì)條件好，不需要進(jìn)行處理；B類(lèi)堤基工程地質(zhì)條件較好，基本不存在軟土沉降變形、抗滑穩(wěn)定、抗震穩(wěn)定等主要工程地質(zhì)問(wèn)題，堤內(nèi)側(cè)局部低洼處存在滲透變形問(wèn)題；C類(lèi)和D類(lèi)堤基工程地質(zhì)條件差，以淤泥、淤泥質(zhì)土為主，在現(xiàn)狀下基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但加固堤身可能引起沉降變形、抗滑穩(wěn)定等工程地質(zhì)問(wèn)題，具體見(jiàn)表2。

表2 工程區(qū)堤防工程地質(zhì)分段表

3 混合式堤防穩(wěn)定性計(jì)算及評(píng)價(jià)

結(jié)合區(qū)域規(guī)劃及現(xiàn)狀地形，總結(jié)已建廣州珠江堤防的經(jīng)驗(yàn)，選用既滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的需求，又滿足景觀布置要求和親水效果的混合式堤防為主要堤型。

3.1 預(yù)制沉箱混合式堤防方案

方案采用碎石墊層或拋石基床作為預(yù)制沉箱基礎(chǔ)，基礎(chǔ)結(jié)合現(xiàn)狀進(jìn)行開(kāi)挖，臨江側(cè)主要為淤泥質(zhì)土開(kāi)挖，開(kāi)挖邊坡坡比采用1∶2，內(nèi)側(cè)臨時(shí)開(kāi)挖邊坡坡比采用1∶1.5，若內(nèi)側(cè)開(kāi)挖坡比陡于1∶1.5，則采用鋼板樁支護(hù)進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖完成后大塊石拋填或碎石填筑。對(duì)于堤基軟土層深度大且新增荷載大的堤防，采用深層水泥攪拌樁進(jìn)行處理；對(duì)于堤基軟土層深度小的堤防，采用挖除軟土置換塊石的方法處理，從而提高地基承載力。

在拋石基床或碎石墊層上吊裝C30鋼筋混凝土U型預(yù)制混凝土沉箱為護(hù)岸，沉箱外側(cè)高程0.5m以下采用拋石護(hù)腳，沉箱頂設(shè)濱江人行道，寬3.0m，高程1.5m。人行道以上放坡至堤頂，坡度1∶3，斜坡采用綠化混凝土護(hù)坡，營(yíng)造親水環(huán)保景觀；背水坡坡比為1∶3，采用草皮護(hù)坡，堤腳設(shè)縱向排水溝。堤防結(jié)合防汛道路設(shè)計(jì)路面寬8m，為瀝青混凝土路面。

3.2 沉箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，防洪墻設(shè)計(jì)荷載組合分為正常情況和非常情況2類(lèi)：

工況1：正常運(yùn)用情況，設(shè)計(jì)低潮(水)位，多年平均低潮位-0.74m，堤后水位0.02m。

工況2：非常運(yùn)用情況，多年平均低潮位遭遇地震，多年平均低潮位-0.74m，堤后水位0.02m。

1)沉箱的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算：

(1)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑W為墻體上的垂直力的總和，kN；∑P為墻體上的水平力的總和，kN；f為底板與堤基之間的摩擦系數(shù)，取0.45。

2)沉箱的抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算：

(2)

式中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為抗傾覆力矩，kN·m；∑P為傾覆力矩，kN·m。

3)沉箱基底應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

(3)

式中：σmax,min為最大和最小壓應(yīng)力，kPa；∑G為垂直荷載，kN；∑M為荷載對(duì)底板形心軸的力矩，kN·m；∑W為底板的截面系數(shù)，m3。

選擇樁號(hào)K1+104.10計(jì)算，各工況下沉箱抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)、沉箱基底應(yīng)力和拋石基床基底應(yīng)力及其不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求，具體見(jiàn)表3。

表3 沉箱穩(wěn)定計(jì)算成果表

3.3 整體穩(wěn)定性計(jì)算

計(jì)算堤防整體穩(wěn)定時(shí)，根據(jù)斷面型式、地基、新增荷載情況，選擇有代表性的斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，本次選擇2個(gè)斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，分別為0+195.19斷面和0+335.68斷面，由于堤后高程普遍在2.0m以上，堤防填高較小，因此本設(shè)計(jì)僅對(duì)臨水側(cè)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，背水側(cè)不予計(jì)算。

堤防為1級(jí)建筑物，計(jì)算方法采用瑞典圓弧法，采用北京理正巖土和PLAXIS 2D有限元分析軟件進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算。施工期的穩(wěn)定采用總應(yīng)力法，計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)采用快剪指標(biāo)；水位驟降期及穩(wěn)定滲流期的穩(wěn)定計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)采用慢剪指標(biāo)，考慮到淤泥固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，固結(jié)度低等特點(diǎn)，故采用固結(jié)快剪指標(biāo)。

該工程區(qū)域設(shè)計(jì)烈度為7度，需要進(jìn)行抗震計(jì)算。大堤邊坡穩(wěn)定分析的計(jì)算工況如下：

1)加固前：① 現(xiàn)狀：采用現(xiàn)狀堤防斷面，外江水位采用多年平均低潮位-0.74m，對(duì)應(yīng)堤后水位取地面高程，計(jì)算外江側(cè)邊坡；②加高后(不采取其他措施)：采用現(xiàn)狀堤防斷面并增加等效于加高堤身的荷載，外江水位采用多年平均低潮位-0.74m，對(duì)應(yīng)堤后水位取地面高程，計(jì)算外江側(cè)邊坡。

2)加固后：① 正常運(yùn)用條件：工況一：外江水位由設(shè)計(jì)潮水位2.80m降落-0.74m，對(duì)應(yīng)堤后水位取地面高程，計(jì)算臨水側(cè)邊坡；② 非常運(yùn)用條件：工況二：外江水位為歷史最低潮位-1.93m，對(duì)應(yīng)堤后水位取地面高程，計(jì)算臨水側(cè)邊坡；工況三：施工期，外江水位為多年平均低潮位-0.74m，對(duì)應(yīng)堤后水位取地面高程，計(jì)算臨水側(cè)邊坡；工況四：外江水位為多年平均高潮位0.78m遇地震，對(duì)應(yīng)堤后水位取地面高程，計(jì)算臨水側(cè)邊坡。

其中計(jì)算巖土體參數(shù)選用表1數(shù)值，1.2×1.2m，10m長(zhǎng)水泥土攪拌樁復(fù)合地基固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)為黏聚力19.03kPa、內(nèi)摩擦角16.66°。

以0+195.19斷面為例，北京理正巖土和PLAXIS 2D有限元分析軟件整體穩(wěn)定計(jì)算模型，共生成939個(gè)單元，8047個(gè)節(jié)點(diǎn)。

各工況穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)下表，根據(jù)計(jì)算成果可知，理正計(jì)算結(jié)果與PLAXIS計(jì)算結(jié)果相似，模型合理可行，現(xiàn)狀堤防安全系數(shù)均在1以上，但增加等效于加高堤身的荷載后，安全系數(shù)降低，無(wú)法滿足規(guī)范規(guī)定的要求，甚至達(dá)不到1，因此這些堤段不能僅僅簡(jiǎn)單的加高堤身，同時(shí)應(yīng)該對(duì)堤基進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，由表可知，按照本設(shè)計(jì)加固后的堤防整體穩(wěn)定在各個(gè)工況下均滿足要求，因此本次設(shè)計(jì)方案是合理、可行的，同時(shí)也是必須的。

表4 整體穩(wěn)定計(jì)算成果

3.4 滲流穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，本工程應(yīng)進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，主要是計(jì)算背水坡和臨水坡滲流出口比降，分析滲流對(duì)黏土的破壞作用以及發(fā)生滲透變形的可能性。堤坡逸出段的滲流比降應(yīng)小于允許比降。本次計(jì)算選取樁號(hào)5+440.85(南村油庫(kù)～永大集團(tuán)段)作為最不利剖面進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算參數(shù)采用地質(zhì)報(bào)告建議參數(shù)，并參照附近類(lèi)似土層選取，詳見(jiàn)表5。

表5 各土層滲透系數(shù)表

計(jì)算采用PLAXIS 2D的滲流模塊進(jìn)行滲流計(jì)算，滲流有限元分析基本方程為：

(4)

式中：[K]為透水系數(shù)矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單元儲(chǔ)水量矩陣；{Q}為流量向量。

共設(shè)置三種工況，在穩(wěn)定滲流時(shí)：工況一：設(shè)計(jì)洪水位2.8m，對(duì)應(yīng)堤后無(wú)水；工況二：多年平均低潮位-0.74m，對(duì)應(yīng)堤后無(wú)水(取地面高程)；在非穩(wěn)定滲流：工況三：多年平均高潮位0.78m驟降至多年平均低潮位-0.74m，對(duì)應(yīng)堤后無(wú)水。計(jì)算結(jié)果為見(jiàn)表6。

表6 各土層滲透系數(shù)表

根據(jù)上表計(jì)算成果，背水坡出逸比降均小于允許滲透比降，堤身不會(huì)發(fā)生滲透破壞，因此不需要采用其他工程措施。

4 結(jié) 論

文章以廣州市珠江大學(xué)城段堤防建設(shè)工程為研究背景，對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)進(jìn)行分段評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示工程堤防主要為C類(lèi)和D類(lèi)，占總長(zhǎng)分別為52.7%和35.7%，其次為A類(lèi)和B類(lèi)，占總長(zhǎng)分別為5.4%和6.2%。

采用理正軟件和PLAXIS 2D 有限元軟件計(jì)算不同工況下新建混合式堤防的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示各工況下沉箱抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)、沉箱基底應(yīng)力和拋石基床基底應(yīng)力及其不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求；現(xiàn)狀堤防整體安全系數(shù)大部分均在1以上，增加等效于加高堤身的荷載后安全系數(shù)降低，加固后的堤防整體穩(wěn)定在各個(gè)工況下均滿足要求，本次設(shè)計(jì)方案合理、可行；背水坡出逸比降均小于允許滲透比降，堤身不會(huì)發(fā)生滲透破壞，無(wú)需采取工程措施。

文章對(duì)典型混合式堤防斷面進(jìn)行整體穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定計(jì)算，對(duì)工程建設(shè)有一定的指導(dǎo)意義，但后期應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)前期計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正，已到達(dá)設(shè)計(jì)預(yù)期效果。