圍堰穩(wěn)定性及加固措施分析

王 堉

(星辰利源水利水電工程有限公司，廣東 潮州 521000)

0 引 言

在水利水電工程建設(shè)過程中，為保證工程的正常開展，常需要建設(shè)圍堰等臨時(shí)擋水物。圍堰的穩(wěn)定性影響著工程建設(shè)的開展及進(jìn)度，影響其穩(wěn)定性的因素較多，確定對(duì)圍堰穩(wěn)定性影響的關(guān)鍵因素至關(guān)重要。

針對(duì)以上問題，許多專家學(xué)者開展了相關(guān)研究。周璐等[1]以某航電樞紐工程砂礫體圍堰為研究對(duì)象，利用有限元軟件，建立降雨模型，研究圍堰內(nèi)部滲流場(chǎng)變化對(duì)其穩(wěn)定的影響。戴良軍等[2]以某大橋索塔基礎(chǔ)工程為研究對(duì)象，基于相關(guān)計(jì)算理論，建立風(fēng)險(xiǎn)模型，分析不同方式圍堰對(duì)其抗滑風(fēng)險(xiǎn)差異性。章榮軍等[3]基于Monte Carlo模擬法，建立強(qiáng)度隨機(jī)分布場(chǎng)，分析空間變異性對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響。汪洋等[4]以某水工建筑物為研究對(duì)象，基于有限差分法，分析圍堰拆除過程對(duì)其周圍邊坡穩(wěn)定性的影響，以此分析拆除方案的安全性。黃宇等[5]以某河床承臺(tái)圍堰為研究對(duì)象，分析當(dāng)覆蓋層鋼板樁入土深度較小時(shí)，圍堰穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

本文以某地區(qū)圍堰為研究對(duì)象，分析土體的物理性質(zhì)對(duì)圍堰穩(wěn)定性的敏感性，研究其變化對(duì)圍堰安全性的影響程度，提出以TRD與拋石結(jié)合的圍堰加固方法，并分析其加固效果。

1 工程概況

作為研究對(duì)象的某地區(qū)圍堰，其總高度為26.5 m，全長(zhǎng)1 542 m，采用袋裝土護(hù)坡。考慮到滲流作用對(duì)其穩(wěn)定性的影響，采用袋裝砂護(hù)坡和土工布的形式，形成封閉防滲體系，以維持圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。該地區(qū)水文地質(zhì)情況良好，土體主要為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土。圍堰拋填料相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍堰拋填料相關(guān)力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算方法

本研究利用有限元軟件，對(duì)圍堰的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，假設(shè)土體中的滲流情況符合Darcy定律。同時(shí)，引入強(qiáng)度折減系數(shù)M，其定義如下：

(1)

式中：i、r分別為輸入值和折減值；Fs為安全系數(shù)。

圍堰的堰體和堰基材料相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 堰體和堰基材料相關(guān)參數(shù)

3 圍堰參數(shù)敏感性分析

3.1 安全系數(shù)敏感性分析

由于圍堰的穩(wěn)定性受多種因素的影響，為研究其穩(wěn)定性受相關(guān)參數(shù)的影響程度，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

圍堰明渠開挖土內(nèi)摩擦角敏感性分析見圖1。由圖1可知，隨著內(nèi)摩擦角的增大，上游圍堰和下游圍堰的安全系數(shù)逐漸增大，且其變化趨勢(shì)接近線性增長(zhǎng)；顯示明渠土的內(nèi)摩擦角敏感性較高，其對(duì)圍堰穩(wěn)定性具有顯著影響。但上下游圍堰的安全系數(shù)具有一定的差異性，下游圍堰的安全系數(shù)大于上游圍堰，說明上游圍堰的穩(wěn)定性較差。上下游圍堰內(nèi)摩擦角-安全系數(shù)曲線斜率具有一致性，其差距較小，說明內(nèi)摩擦角的變化對(duì)于上下游圍堰穩(wěn)定性的影響具有一致性，二者之間的敏感性無明顯差異。當(dāng)內(nèi)摩擦角小于4.3°時(shí)，上下游圍堰的安全系數(shù)均小于安全系數(shù)的限值，說明此時(shí)圍堰已發(fā)生破壞失穩(wěn)，不滿足設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際工程中，可考慮提升土體的內(nèi)摩擦角，以保持圍堰的穩(wěn)定性。

圖1 圍堰明渠開挖土內(nèi)摩擦角敏感性分析

圍堰明渠開挖土黏聚力敏感性分析見圖2。由圖2可知，黏聚力與安全系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，上游圍堰的曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)接近線性增長(zhǎng)，下游圍堰的曲線斜率隨黏聚力的增大而增大，說明黏聚力的增大對(duì)圍堰穩(wěn)定性有顯著的提高作用。在黏聚力較小時(shí)，上下游圍堰的曲線斜率差距較?。浑S著黏聚力的增大，上下游圍堰的曲線斜率具有一定的差異性，下游圍堰的斜率大于上游圍堰，說明黏聚力對(duì)下游圍堰安全系數(shù)的敏感性較高，黏聚力的改變對(duì)于下游圍堰的穩(wěn)定性影響程度較大。當(dāng)明渠土的黏聚力小于7.9 kPa時(shí)，上下游圍堰的安全系數(shù)均小于安全系數(shù)限制，說明此時(shí)圍堰已發(fā)生破壞失穩(wěn)，不滿足設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際工程中，可考慮提升下游圍堰的黏聚力，達(dá)到增大圍堰穩(wěn)定性的目的。

圖2 圍堰明渠開挖土黏聚力敏感性分析

圍堰明渠開挖土滲透系數(shù)敏感性分析見圖3。由圖3可知，明渠土的滲透系數(shù)與安全系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。上下游圍堰的曲線均接近線性下降趨勢(shì)，且下游圍堰的安全系數(shù)大于上游圍堰，但是其曲線變化趨勢(shì)較為平緩，說明改變滲透系數(shù)對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響程度較小。下游圍堰的曲線斜率大于上游圍堰的曲線斜率，說明滲透系數(shù)對(duì)下游圍堰的穩(wěn)定性敏感性較高，滲透系數(shù)的改變對(duì)于下游圍堰的穩(wěn)定性影響程度較大。這是由于下游圍堰與水的接觸面積較大，水的滲流作用會(huì)影響圍堰的穩(wěn)定性，而上游與水的接觸面積較小，所以滲透系數(shù)的改變對(duì)于上游圍堰穩(wěn)定性的影響較小。由于滲透系數(shù)對(duì)于圍堰穩(wěn)定性的敏感性較低，所以即使?jié)B透系數(shù)增量較大，上下游圍堰的安全系數(shù)均大于安全系數(shù)的限制值。

圖3 圍堰明渠開挖土滲透系數(shù)敏感性分析

3.2 側(cè)向位移敏感性分析

根據(jù)上述分析可知，對(duì)圍堰穩(wěn)定性敏感性較高的分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角。由于圍堰的位移是影響其穩(wěn)定性的主要因素之一，本節(jié)以下游圍堰為研究對(duì)象，基于實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)數(shù)值，分析黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)圍堰位移的敏感性影響情況。

圖4為減小3°內(nèi)摩擦角對(duì)圍堰側(cè)向位移的影響。由圖4可知，隨著時(shí)間的增大，圍堰的側(cè)向位移逐漸增大。當(dāng)時(shí)間小于60 d時(shí)，圍堰的側(cè)向位移無明顯的變化趨勢(shì)；當(dāng)時(shí)間大于60 d小于100 d時(shí)，圍堰的側(cè)向位移逐漸增大，其增長(zhǎng)趨勢(shì)接近線性增長(zhǎng)；當(dāng)時(shí)間大于100 d時(shí)，圍堰的側(cè)向位移增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著，其增長(zhǎng)率較大，說明在時(shí)間較短時(shí)，改變內(nèi)摩擦角對(duì)圍堰位移的影響較小；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，內(nèi)摩擦角對(duì)圍堰側(cè)向位移的影響較大。這是由于當(dāng)時(shí)間較短時(shí)，圍堰仍處于固結(jié)階段，此時(shí)發(fā)生的位移較??；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，圍堰逐漸過渡到變形和加速變形階段，此時(shí)圍堰發(fā)生變形，且其變形增量較大，變形速度較快。在實(shí)際工程中，當(dāng)時(shí)間大于60 d時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注由于內(nèi)摩擦角改變而導(dǎo)致的圍堰變形情況，以保證圍堰的穩(wěn)定性。

圖4 減小3°內(nèi)摩擦角對(duì)圍堰側(cè)向位移的影響

圖5為降低黏聚力4 kPa對(duì)圍堰側(cè)向位移的影響。

圖5 降低黏聚力4kPa對(duì)圍堰側(cè)向位移的影響

由圖5可知，黏聚力與側(cè)向位移呈正相關(guān)關(guān)系，說明提升土體的黏聚力可有效控制圍堰變形。當(dāng)時(shí)間小于60 d時(shí)，圍堰的側(cè)向變形接近線性增長(zhǎng)，其增量較為穩(wěn)定；當(dāng)時(shí)間大于60 d時(shí)，圍堰的側(cè)向位移增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著，其增長(zhǎng)趨勢(shì)接近指數(shù)增長(zhǎng)，其增量逐漸增大，說明隨時(shí)間的增大，降低黏聚力對(duì)圍堰變形產(chǎn)生的影響較大。對(duì)比降低內(nèi)摩擦角對(duì)圍堰側(cè)向位移的影響可知，當(dāng)時(shí)間為120 d時(shí)，降低黏聚力發(fā)生的位移側(cè)向位移較小，說明黏聚力對(duì)圍堰側(cè)向位移的敏感性較低，圍堰的側(cè)向位移主要受內(nèi)摩擦角的影響。在實(shí)際工程中，由于內(nèi)摩擦角的敏感性較高，應(yīng)主要考慮土體內(nèi)摩擦角變化而產(chǎn)生的圍堰變形，輔以黏聚力對(duì)圍堰位移的影響分析。

4 TRD與拋石結(jié)合加固圍堰

為改善該圍堰的穩(wěn)定性，采取TRD與拋石結(jié)合的方法對(duì)圍堰進(jìn)行加固，并根據(jù)工程實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析其沉降及水平位移變化規(guī)律。選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)圍堰的沉降規(guī)律進(jìn)行分析，其累計(jì)沉降-深度曲線見圖6。由圖6可知，隨著深度的增大，各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降均呈先增大后減小的趨勢(shì)，且隨著時(shí)間的增大，各測(cè)點(diǎn)的最大累計(jì)沉降逐漸增大；當(dāng)深度較小時(shí)，相同時(shí)間下的累計(jì)位移數(shù)值較為集中，隨著深度的增大，不同測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)值具有一定的差異性，其中30 d的各測(cè)點(diǎn)間的差值最大。當(dāng)時(shí)間為0 d時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)位移數(shù)值較為集中，其中測(cè)點(diǎn)3的累計(jì)位移最大；當(dāng)時(shí)間為30 d時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)位移數(shù)值存在一定的差異性，當(dāng)深度大于6 m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)間的差異較為明顯，其中測(cè)點(diǎn)1的累計(jì)位移最大。根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，采用TDR和拋石結(jié)合加固方案的最大累計(jì)位移小于規(guī)范規(guī)定的限值，說明該加固方案對(duì)圍堰的穩(wěn)定性有明顯的改善效果，滿足實(shí)際工程的要求。

圖6 累計(jì)沉降-深度曲線

選取8個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)圍堰的水平位移規(guī)律進(jìn)行分析，其累計(jì)沉降-時(shí)間曲線見圖7。由圖7可知，隨著時(shí)間的增大，各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)水平位移無明顯的變化規(guī)律，各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)水平位移主要集中于-0.5～-4.5左右。其中，當(dāng)時(shí)間為0～5 d時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的水平位移均呈下降趨勢(shì)，且在該階段圍堰的水平位移變化量較大；隨著時(shí)間的增大，后續(xù)圍堰水平位移變化相對(duì)較為平緩。這是由于當(dāng)時(shí)間較短時(shí)，圍堰的土體仍處于固結(jié)階段，此時(shí)其變形沉降量較大；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，各測(cè)點(diǎn)的土體趨于穩(wěn)定，土顆粒間逐漸致密化，不再發(fā)生變形，此時(shí)發(fā)生的變形量較小。根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，采用TDR和拋石結(jié)合加固方案的最大水平位移小于規(guī)范規(guī)定的限值，說明該加固方案對(duì)圍堰的穩(wěn)定性有明顯的改善效果，滿足實(shí)際工程的要求。

圖7 累計(jì)沉降-時(shí)間曲線

5 結(jié) 論

本文以某地區(qū)圍堰為研究對(duì)象，分析土體的物理性質(zhì)對(duì)圍堰穩(wěn)定性的敏感性，研究其變化對(duì)圍堰安全性的影響程度，提出以TRD與拋石結(jié)合的圍堰加固方法，并分析其加固效果，結(jié)論如下：

1) 內(nèi)摩擦角對(duì)圍堰的安全系數(shù)及側(cè)向位移敏感性較高，黏聚力次之，滲透系數(shù)最小。在實(shí)際工程中，應(yīng)主要考慮土體內(nèi)摩擦角對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響，輔以黏聚力對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響分析。

2) 下游圍堰的安全系數(shù)大于上游圍堰，說明上游圍堰的穩(wěn)定性較差。上下游圍堰內(nèi)摩擦角-安全系數(shù)曲線斜率具有一致性，其差距較小，說明內(nèi)摩擦角的變化對(duì)于上下游圍堰穩(wěn)定性的影響具有一致性，二者之間的敏感性無明顯差異。

3) 采用TDR和拋石結(jié)合的加固方案的最大水平位移和沉降小于規(guī)范規(guī)定的限值，說明該加固方案對(duì)圍堰的穩(wěn)定性有明顯的改善效果，滿足實(shí)際工程的要求。