水位升降和潮汐水位作用下圍堰的安全穩(wěn)定性

收稿日期：20231029

通信作者：朱浩杰（1994），男，工程師，主要從事基坑工程、隧道工程、地基處理及土木領(lǐng)域自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。Email：506657219@qq.com。

摘要：為了分析水位升降和潮汐水位作用下濱海區(qū)域圍堰的安全穩(wěn)定性，基于廈門市集美島車站工程實(shí)例，應(yīng)用Plaxis有限元程序的非飽和土滲流理論，采用有限元強(qiáng)度折減法，進(jìn)行不同水位升降速度及潮汐水位循環(huán)作用下圍堰的穩(wěn)定性分析，通過(guò)圍堰的安全系數(shù)變化曲線分析水位變化對(duì)圍堰穩(wěn)定性影響的機(jī)理。結(jié)果表明：圍堰安全系數(shù)在水位升高時(shí)減小，水位上升速度越快，圍堰安全系數(shù)減小速率越大；水位下降時(shí)存在臨界水位降速，臨界水位降速為1.0m·d-1，當(dāng)水位下降速度超過(guò)臨界水位降速時(shí)，圍堰安全系數(shù)先減小后增大，當(dāng)水位下降速度小于臨界水位降速時(shí)，圍堰安全系數(shù)逐漸增大；圍堰安全系數(shù)在落潮時(shí)增大，在漲潮時(shí)減小，潮汐振幅越大，圍堰安全系數(shù)增值越大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，相鄰兩次循環(huán)間圍堰安全系數(shù)增量逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：圍堰；安全穩(wěn)定性；水位升降；潮汐水位；安全系數(shù)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU473文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10005013（2024）02021907

在濱海水域或臨近濱海水域范圍內(nèi)進(jìn)行基坑開挖時(shí)，需要設(shè)置圍堰，防止海水侵入場(chǎng)地以滿足干地施工的條件，并起到圍護(hù)施工場(chǎng)地的作用。因此，圍堰的安全穩(wěn)定性是保證基坑開挖安全的重要前提［1］。特別是由于濱海水域海水漲落的影響，對(duì)圍堰自身的安全問(wèn)題進(jìn)行研究具有重要的意義［2］。

針對(duì)圍堰滲流問(wèn)題，已有相關(guān)理論解析及數(shù)值模擬方面的研究［36］。袁帥等［7］采用非穩(wěn)定滲流理論研究托巴土石圍堰臨水坡體的非穩(wěn)定滲流場(chǎng)規(guī)律，得出過(guò)快的水位下降速度不利于堰坡穩(wěn)定性的結(jié)論。董存軍［8］采用FLAC3D軟件模擬分析水位變化工況下土石圍堰的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)水位變化越快，堰坡的穩(wěn)定性越低。周?。?］發(fā)現(xiàn)水位下降使圍堰下游邊坡安全系數(shù)先減小后增大，隨著水位下降速度的增加，堰體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)呈減小的趨勢(shì)。羅立哲等［10］建立土石圍堰穩(wěn)定分析模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水位下降速率一定時(shí)，堰坡穩(wěn)定安全系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，最小值及其出現(xiàn)時(shí)間與水位下降速率有關(guān)。

上述文獻(xiàn)對(duì)深入了解圍堰在滲流作用下的穩(wěn)定性具有重要意義，但研究對(duì)象均未涉及濱海水域地區(qū)，缺少對(duì)潮汐水位長(zhǎng)期作用下圍堰的安全穩(wěn)定性研究?；诖耍疚膶?duì)水位升降和潮汐水位作用下廈門市集美島車站的圍堰安全穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1滲流穩(wěn)定分析的基本理論

1.1達(dá)西定律與滲流計(jì)算理論

1856年，達(dá)西提出滲流線性定理，對(duì)后期滲流理論的發(fā)展與研究有著不可或缺的作用［11］。達(dá)西定律基本公式為

ν=QA=-κdhdS=κJ。（1）

式（1）中：ν為通過(guò)斷面（面積為A）上的平均流速；Q為邊界流量；κ為滲透系數(shù)；h為水頭；S為水流過(guò)的距離；J為滲透坡降。

穩(wěn)態(tài)分析認(rèn)為流入、流出土體的水量和邊界補(bǔ)給水量在任何時(shí)刻都是平衡的，對(duì)應(yīng)的達(dá)西定律控制微分方程［12］為

式（2）中：H為總水頭；κX為水平方向（X方向）的滲透系數(shù)；κY為垂直方向（Y方向）的滲透系數(shù)；t為時(shí)間參數(shù)。

對(duì)于瞬態(tài)分析而言，土體內(nèi)含水量的變化取決于土體的應(yīng)力狀態(tài)和土體的性狀。以水頭h為控制方程的因變量，可得滲流控制方程［13］為

式（3）中：mw為比水容重；ρw為水的密度。

Plaxis有限元程序認(rèn)為地下水在孔隙中的流動(dòng)服從達(dá)西定律，因此，其控制微分方程的表達(dá)式與達(dá)西定律滲流控制方程相同。特別的，Plaxis有限元程序區(qū)分了孔隙水在飽和土體（浸潤(rùn)面以下）和非飽和土體（浸潤(rùn)面以上）中的流動(dòng)，對(duì)滲透系數(shù)引入一個(gè)折減系數(shù)Kr。當(dāng)土體位于浸潤(rùn)面以下時(shí)，Kr=1；當(dāng)土體位于浸潤(rùn)面以上時(shí)，Kr＜1=α；在浸潤(rùn)面附近的過(guò)渡區(qū)域，Kr由α線性增加到1［14］。Plaxis有限元程序?qū)r引入達(dá)西定律控制微分方程中，穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)分析對(duì)應(yīng)的達(dá)西定律控制微分方程［12］分別為

1.2安全系數(shù)的求解

Plaxis有限元程序通過(guò)提供的有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行安全系數(shù)的求解［1516］。通過(guò)不斷減小強(qiáng)度參數(shù)tanφ，c直到計(jì)算模型發(fā)生破壞，此時(shí)的折減系數(shù)即安全系數(shù)。在程序中，將∑Msf定義為強(qiáng)度的折減系數(shù)，其表達(dá)式為

∑Msf=tanφinptanφred=cinpcred。（4）

式（4）中：tanφinp，cinp均為程序定義材料屬性時(shí)輸入的強(qiáng)度參數(shù)；tanφred，cred均為分析過(guò)程中用到的經(jīng)過(guò)折減后的強(qiáng)度參數(shù)。

程序在開始計(jì)算時(shí)默認(rèn)∑Msf=1.0，然后，∑Msf按設(shè)置的數(shù)值遞增至計(jì)算模型發(fā)生破壞，此時(shí)的∑Msf即計(jì)算模型的安全系數(shù)［12］。

2滲流模型的建立

2.1工程概況

集美島車站位于廈門市集美區(qū)馬鑾灣片區(qū)鳳鳴路中間綠化帶內(nèi)，其間塘、堤縱橫交錯(cuò)，現(xiàn)狀地面標(biāo)高-2～4m，規(guī)劃標(biāo)高6.53～7.06m。車站位于原水塘下方，原場(chǎng)地經(jīng)抽水、清淤及圍堰施工后，開挖車站基坑。圍堰采用素土分層碾壓密實(shí)，高7.0m，頂寬2.5m，基礎(chǔ)底標(biāo)高-2.5m，兩側(cè)按1.0∶1.5放坡，迎水面設(shè)置“土工布+防水板+土工布”防滲并采用干砌片石護(hù)腳，背水面一側(cè)坡面噴射100mm的C20混凝土，設(shè)置Φ8mm@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)片。集美島車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度19.7m，深度9.5～11.2m，采用Φ1000mm@1200mm鉆孔灌注樁+一道900mm×900mm鋼筋砼支撐體系。圍堰與基坑間距約50m，場(chǎng)區(qū)清淤后地下水位標(biāo)高為-1.0m，最高水位標(biāo)高為6.0m。地質(zhì)自上而下依次為素填土、中粗砂、全風(fēng)化凝灰熔巖和強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖。標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面圖，如圖1所示。

2.2計(jì)算模型

采用Plaxis有限元程序建立標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面二維計(jì)算模型，模擬分析圍堰在水位升降及潮汐水位變化條件下的安全穩(wěn)定性特征。有限元計(jì)算模型（圖2）的尺寸與工程案例一致。有限元網(wǎng)格（圖3）共劃分為9581個(gè)節(jié)點(diǎn)和1149個(gè)單元。

模型應(yīng)力場(chǎng)邊界條件：底邊界和側(cè)面邊界垂直方向和水平方向均自由；表面為自由邊界。

模型水位邊界條件：迎水面為水位變動(dòng)邊界；圍堰內(nèi)地表為下游水頭邊界；模型側(cè)面及底面為不透水邊界。

2.3計(jì)算參數(shù)

在進(jìn)行敏感環(huán)境下的基坑降水開挖問(wèn)題的數(shù)值模擬時(shí)，針對(duì)滲流問(wèn)題，應(yīng)用考慮土體小應(yīng)變特性的本構(gòu)模型具有良好的適應(yīng)性［17］。因此，數(shù)值模擬本構(gòu)模型選擇小應(yīng)變土體硬化（HSS）模型。HSS模型包含4個(gè)強(qiáng)度參數(shù)、7個(gè)剛度參數(shù)和2個(gè)小應(yīng)變參數(shù)：土體的強(qiáng)度參數(shù)（c）、內(nèi)摩擦角（φ）、剪脹角（ψ）、破壞比（0.9）、割線剛度（Eref50）、切線剛度（Erefoed）、卸載/重新加載剛度（Erefur）、小應(yīng)變剪切模量（Gref0）、卸載/再加載泊松比（υu(píng)r0）、剛度參考圍壓（Pref）、正常固結(jié)下的側(cè)壓力系數(shù)值（K0，K0=1-sinφ）、割線模量（Gs）減小到G0的70%時(shí)的剪切應(yīng)變（γ0.7）、樁土接觸面參數(shù)Rinter。

根據(jù)地勘報(bào)告及相關(guān)計(jì)算［18］，可得土體物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。表1中：ρ為密度；υ為泊松比。

2.4水位變化模擬

模型初始水位為清淤后場(chǎng)平標(biāo)高（-1.0m），最高水位為6.0m，分別如圖4，5所示。水位升降過(guò)程采用瞬態(tài)滲流計(jì)算，程序中通過(guò)定義滲流時(shí)程曲線實(shí)現(xiàn)，設(shè)置水位升降過(guò)程中所需時(shí)間的長(zhǎng)短可反映水位變化的速度。

根據(jù)潮汐表，廈門地區(qū)每天漲潮兩次，相隔12h，高潮潮高與低潮潮高之間的差值約為3～6m。對(duì)潮汐漲落進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，假定潮汐漲潮速度與落潮速度相同，0：00開始第1次退潮，6：00開始第1次漲潮，12：00開始第2次退潮，18：00開始第2次漲潮，1d中有2次潮汐循環(huán)。

潮汐水位變化示意圖（1d），如圖6所示。

圖6中：ΔHw為潮汐變化過(guò)程中的水位差值。

2.5計(jì)算工況

根據(jù)工程實(shí)例的現(xiàn)場(chǎng)施工情況，數(shù)值模擬計(jì)算工況主要步驟如下：1）進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡；2）施工圍堰；3）施作基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)；4）基坑開挖；5）吹填；6）模擬地下水位升降；7）模擬潮汐水位變化。

3計(jì)算結(jié)果及分析

樁身曲線模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，如圖7所示。

圖7中：s為位移；D為深度。

由圖7可知：基坑圍護(hù)樁身最大變形位置在坑底以上，整體呈“內(nèi)凸?fàn)睢卑l(fā)展，樁身曲線模擬形態(tài)與實(shí)測(cè)一致；

施工期ZQT5樁身實(shí)測(cè)最大位移為12.66mm，ZQT15樁身實(shí)測(cè)最大位移為15.15mm，與模擬結(jié)果分別相差1.00，1.49mm，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3.1水位升降對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響

1）水位上升。

為研究水位升速對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響，根據(jù)工程實(shí)例水位分布情況，設(shè)計(jì)水位從-1.0m開始上升至6.0m，升速（vr）分別為3.0，1.5，0.5m·d-1。水位上升與圍堰安全系數(shù)的關(guān)系圖，如圖8所示。圖8中：Hw為水位標(biāo)高；∑Msf為圍堰安全系數(shù)（折減系數(shù)）。

由圖8可知：水位從-1.0m上升到6.0m過(guò)程中，圍堰安全系數(shù)不斷減?。凰簧贋?.0m·d-1時(shí)的圍堰安全系數(shù)減小速率最大，水位升速為0.5m·d-1時(shí)的圍堰安全系數(shù)減小速率最小，這說(shuō)明水位上升速度越快，圍堰安全系數(shù)減小速率越大，相同水位上升高度下圍堰安全系數(shù)越小。

水位上升速度越快，由于圍堰內(nèi)地下水位線不能同步升高，故孔隙水壓力和基質(zhì)吸力的變化較小，圍堰迎水側(cè)水壓力一直增加，從而使圍堰安全系數(shù)減?。凰簧仙俣容^小時(shí)，圍堰內(nèi)的浸潤(rùn)線隨水位上升而上升，故圍堰的穩(wěn)定性就由孔隙水壓力、基質(zhì)吸力和迎水側(cè)水壓力共同決定，從而表現(xiàn)出安全系數(shù)減小速率較小的規(guī)律?？傮w而言，低水位時(shí)圍堰安全系數(shù)最大，水位上升過(guò)程中圍堰安全系數(shù)不斷減小，到最高水位時(shí)圍堰安全系數(shù)最小，3種水位升速下的圍堰安全系數(shù)及減小速率差異不大。

2）水位下降。

采用相同的方式，設(shè)計(jì)水位從6.0m開始下降至-1.0m，降速（vd）分別為3.0，1.5，0.5m·d-1。水位下降與圍堰安全系數(shù)的關(guān)系圖，如圖9所示。

由圖9可知：水位降速為3.0，1.5m·d-1時(shí)，隨著水位的下降，圍堰安全系數(shù)先減小后增大；水位降速為0.5m·d-1時(shí)，圍堰安全系數(shù)隨著水位的下降而逐漸增大；這3條曲線在水位初降時(shí)存在一定的差異，說(shuō)明在水位初降過(guò)程中存在臨界水位降速，當(dāng)水位降速超過(guò)臨界水位降速時(shí)，圍堰安全系數(shù)先減小后增大；當(dāng)水位降速等于臨界水位降速時(shí)，圍堰安全系數(shù)先不變后增大；當(dāng)水位降速小于臨界水位降速時(shí)，圍堰安全系數(shù)逐漸增大。文中工程案例的臨界水位降速為0.5～1.5m·d-1，增設(shè)水位降速為1.0m·d-1進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)在水位初降時(shí)圍堰安全系數(shù)不變，隨著水位的進(jìn)一步下降，圍堰安全系數(shù)逐漸增大，說(shuō)明工程臨界水位降速為1.0m·d-1。

初始高水位狀態(tài)下，圍堰在孔隙水壓力、基質(zhì)吸力和迎水側(cè)水壓力共同作用下保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)水位降速為臨界水位降速時(shí)，迎水側(cè)水壓力減小，使圍堰穩(wěn)定性有所提高，而圍堰內(nèi)孔隙水壓力來(lái)不及完全消散，將會(huì)降低圍堰穩(wěn)定性，二者對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響相互平衡，圍堰安全系數(shù)保持不變；

當(dāng)水位降速超過(guò)臨界水位降速時(shí)，水位降速越快，圍堰孔隙水壓力相對(duì)消散速度越慢，圍堰安全系數(shù)有一定程度的減小，水位降速越快，圍堰安全系數(shù)減小值越大；當(dāng)水位降速小于臨界水位降速時(shí)，水位降速越慢，圍堰孔隙水壓力相對(duì)消散速度越快，水位降速為0.5m·d-1時(shí)，這與工程案例圍堰土體滲透系數(shù)相同，迎水側(cè)水位下降的同時(shí)，圍堰孔隙水壓力同步下降，故圍堰安全系數(shù)在水位初降時(shí)就有所增大。隨著圍堰內(nèi)水位的進(jìn)一步下降，圍堰整體受到的迎水側(cè)壓力進(jìn)一步減小，圍堰內(nèi)的孔隙水壓力逐漸減小，基質(zhì)吸力增大，從而使圍堰的穩(wěn)定性逐步提高，圍堰安全系數(shù)逐漸增大。

3.2潮汐水位變化對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響

為了充分研究不同潮汐水位差的情況下，潮汐水位變化對(duì)圍堰安全穩(wěn)定性的影響，以潮汐水位變化幅值3m為基礎(chǔ)，等比例增加水位變化幅值，不改變潮汐漲落時(shí)間區(qū)間，設(shè)置潮汐振幅分別為3，4，5，6m的計(jì)算工況，初始水位設(shè)置為6m。不同潮汐振幅下的圍堰安全系數(shù)，如圖10所示。

潮汐循環(huán)下的圍堰安全系數(shù)增量，如圖11所示。圖11中：Δ∑Msf為圍堰安全系數(shù)增量；n為循環(huán)次數(shù)。

由圖10可知：由于落潮時(shí)圍堰迎水側(cè)水壓力減小，漲潮時(shí)圍堰迎水側(cè)水壓力增大，對(duì)應(yīng)的圍堰安全系數(shù)在落潮時(shí)增大，在漲潮時(shí)減小，潮汐振幅越大，相同時(shí)間下落潮時(shí)水位下降得越多，圍堰安全系數(shù)增值越大；在落潮初期，圍堰安全系數(shù)增加速度較小，這是由于圍堰內(nèi)水位來(lái)不及下降導(dǎo)致的，隨著潮汐水位的進(jìn)一步下降，圍堰迎水側(cè)水壓力進(jìn)一步減小，圍堰內(nèi)水位開始下降且基質(zhì)吸力開始增大，圍堰安全系數(shù)迅速提高；在漲潮初期，由于潮水位上漲高度較小，且圍堰受落潮的影響，基質(zhì)吸力還在持續(xù)增大，圍堰安全系數(shù)仍有一定程度的增加，隨著潮水進(jìn)一步上漲，圍堰迎水側(cè)水壓力不斷增大，圍堰內(nèi)孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力減小，圍堰安全系數(shù)開始減小。

由圖11可知：圍堰在一次潮汐循環(huán)中，安全系數(shù)會(huì)增大，第1次潮汐循環(huán)時(shí)安全系數(shù)增量最大，潮汐水位振幅越大，圍堰安全系數(shù)增量越大，潮汐振幅為3，4，5，6m時(shí)的增量分別為0.053，0.070，0.089，0.120；隨著潮汐水位不斷循環(huán)變化，圍堰安全系數(shù)增量逐漸減小并趨于穩(wěn)定，第4次循環(huán)結(jié)束時(shí)的安全系數(shù)與第3次潮汐循環(huán)結(jié)束時(shí)相比，潮汐振幅3，4，5，6m下安全系數(shù)增量差值分別為0.003，0.005，-0.001，0.004。

潮汐循環(huán)下孔隙水壓力曲線圖，如圖12所示。圖12中：pw為孔隙水壓力。

由圖12可知：圍堰內(nèi)孔隙水壓力變化與潮汐水位升降并不呈現(xiàn)完全的正相關(guān)關(guān)系，如第1次漲潮前期，圍堰內(nèi)孔隙水壓力持續(xù)下降，隨著潮水位的不斷升高，圍堰內(nèi)孔隙水壓力開始慢慢變大，當(dāng)水位恢復(fù)至初始狀態(tài)時(shí)，該點(diǎn)孔隙水壓力并未恢復(fù)到初值，而是較初值有一定程度的減小，而圍堰內(nèi)基質(zhì)吸力有所增加，說(shuō)明圍堰在潮汐循環(huán)作用下，內(nèi)部孔隙水壓力減小，基質(zhì)吸力增加。因此，整體安全穩(wěn)定性得到了提高。

4結(jié)論

1）圍堰安全系數(shù)在水位升高時(shí)減小，水位上升速度越快，圍堰安全系數(shù)減小速率越大，相同水位上升高度下圍堰安全系數(shù)越??；圍堰安全系數(shù)在水位下降時(shí)增大，當(dāng)水位下降速度越接近圍堰土體的滲透系數(shù)時(shí)，圍堰安全系數(shù)增大速率越大，相同水位下降高度下圍堰安全系數(shù)增量越大。

2）水位初降過(guò)程中存在臨界水位降速，當(dāng)水位下降速度超過(guò)臨界水位降速時(shí)，圍堰安全系數(shù)先減小后增大；當(dāng)水位下降速度等于臨界水位降速時(shí)，圍堰安全系數(shù)先不變后增大；當(dāng)水位下降速度小于臨界水位降速時(shí)，圍堰安全系數(shù)逐漸增大。

3）圍堰安全系數(shù)在落潮時(shí)增大，在漲潮時(shí)減小，潮汐振幅越大，圍堰安全系數(shù)增量越大。安全系數(shù)增量在第1次潮汐循環(huán)時(shí)最大，隨著潮汐水位的不斷循環(huán)變化，相鄰兩次循環(huán)間圍堰安全系數(shù)增量逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。

4）圍堰在潮汐循環(huán)作用下，內(nèi)部孔隙水壓力減小，基質(zhì)吸力增加，整體安全穩(wěn)定性得到提高。

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（責(zé)任編輯：錢筠英文審校：方德平）