滲流條件下筑島圍堰的穩(wěn)定性及應(yīng)力變形研究

孫永廣

(山東省臨沂市蘭山區(qū)茶山灌溉所，山東 臨沂 276000)

某河道改橋工程橋址范圍內(nèi)屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕斜坡河谷地貌，地面高程為140.00～200.00m，高差約40.0m。橋位區(qū)跨越下方河床，延伸方向由南西向北東。橋梁小樁號(hào)岸位于長(zhǎng)坪村4組，長(zhǎng)坪村岸上部為一陡坡，大部為基巖出露，下部為分級(jí)的小平臺(tái)形成的斜坡，平臺(tái)處覆蓋薄層第四系殘坡積土體，均被改造成了旱地，陡坎處大部分為基巖裸露。岸坡坡向約35°，坡角20°～60°；橋梁大樁號(hào)岸位于樹河村3組。樹河村岸整體為一斜坡，大部地區(qū)為基巖裸露，在局部平臺(tái)或斜坡上的凹槽部分覆蓋薄層的第四系殘坡積土體。岸坡坡向210°，坡角20°～40°。中間低洼處為白河溝河床，在三峽庫(kù)區(qū)蓄水前，河床底部原為農(nóng)田，覆蓋厚薄不均的砂土、黏性土層，在樹河村岸坡腳位置為原白河溝老河床，覆蓋2～5m的卵石層。庫(kù)區(qū)蓄水后，長(zhǎng)江水倒灌進(jìn)入白河溝，形成了寬闊的河面，勘察期間河面寬約180m。

機(jī)械鉆孔結(jié)果顯示，樁基基礎(chǔ)位于河床上，所處位置的河床淤泥較深，滲水量大，河床淤泥穩(wěn)定性較差，受長(zhǎng)江水位的制約，因此，只能先筑島圍堰施工平臺(tái)后，再采用行機(jī)械沖擊鉆孔施工。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，圍堰的主要填料為黏性土和石料，用運(yùn)輸車裝運(yùn)傾倒，由河岸向河中逐漸推進(jìn)，圍堰邊線至孔樁中心距離不小于4m，堰頂寬20m，下游壩坡坡率取1∶1，上游壩坡坡率取1∶1.5，筑島及圍堰頂面設(shè)置2%橫坡以便施工時(shí)筑島頂面積水的排出，總高度按實(shí)際填筑為準(zhǔn)。

圍堰作為水利樞紐工程中重要的臨時(shí)性建筑物，其安全性對(duì)主體工程的安全有重要影響[1]。為了分析圍堰是否安全可靠，必須對(duì)圍堰的安全性進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，鑒于此，采用了有限元數(shù)值分析手段，對(duì)圍堰的滲流、壩坡穩(wěn)定性以及應(yīng)力變形進(jìn)行的分析。

1 計(jì)算方案及參數(shù)

1.1 計(jì)算工況

圍堰斷面具體尺寸如圖1所示，其中堰頂設(shè)計(jì)高程為155.5m。考慮最危險(xiǎn)情況，即上游水位154.7m，此外，由于不同斷面河床深度不一致，因此，擠淤深度按照最深20m、最淺15m進(jìn)行計(jì)算，建立2種模型。

模型1：擠淤深度20m、土石填筑10m。

模型2：擠淤深度15m、土石填筑10m。

圖1 圍堰斷面示意圖

針對(duì)以上2種模型，分別進(jìn)行滲流、壩坡穩(wěn)定、應(yīng)力變形分析。

1.2 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)設(shè)計(jì)文件資料，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[2- 5]，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，土石填筑及拋石擠淤均采用摩爾庫(kù)倫模型，具體參數(shù)如表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2 滲流穩(wěn)定分析

2.1 滲流計(jì)算模型

建立2種計(jì)算模型，將其劃分為土石填筑料和拋石兩種材料。取左岸壩坡的迎水側(cè)指向背水側(cè)為x軸，垂直方向?yàn)閥軸，劃分的有限元網(wǎng)格如圖2所示。滲流邊界設(shè)定如下：上游均為固定水頭154.7m，下游面為潛在滲流面。

圖2 圍堰計(jì)算模型

2.2 臨界水力坡降的確定

土體的臨界水力坡降計(jì)算公式如下：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(1)

式中，Ja—土的臨界水力坡降；Gs—土粒密度與水的密度之比；n—土的孔隙率(以小數(shù)計(jì))。

根據(jù)規(guī)范和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，臨界水力坡降取為0.84。

2.3 滲流計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算得到各工況圍堰在滲流條件下的等勢(shì)線和水力坡降等值線圖，圖3、4所示。

圖3 模型1滲流結(jié)果

圖4 模型2滲流結(jié)果

從圖3、4可知，兩種工況情況下，圍堰的浸潤(rùn)線形式相差不大，由于相鄰兩土層滲透系數(shù)的差異，等勢(shì)線在相鄰兩土層間產(chǎn)生了轉(zhuǎn)折，影響了等勢(shì)線的光滑程度。其中，當(dāng)擠淤深度降低為15m時(shí)，浸潤(rùn)線與拋石層的交點(diǎn)稍往右側(cè)偏移。兩種工況下滲流溢出點(diǎn)都位于下游壩面底部，在填筑材料滲透達(dá)標(biāo)的情況下，最大水力坡降在0.65～0.7之間，均小于臨界水力坡降0.84。

3 壩坡穩(wěn)定分析

3.1 邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法

壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用GEO-STUDIO中的SLOPE/W模塊，其在穩(wěn)定分析中可考慮孔隙水壓力。根據(jù)SL 645- 2013《水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]的規(guī)定，采用簡(jiǎn)化畢肖普和瑞典圓弧法進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，建立2種工況的計(jì)算模型，將其劃分為土石填筑材料和拋石擠淤材料兩種材料。有限元模型坐標(biāo)系如下：取x軸由左岸壩坡的迎水側(cè)指向背水側(cè)，y軸為垂直方向，向上為正，坐標(biāo)與高程一致。

3.2 滲流條件下壩坡穩(wěn)定性

運(yùn)用SLOPE/W模塊，采用畢肖普法計(jì)算各斷面背水側(cè)與臨水側(cè)的穩(wěn)定性系數(shù)，讀取滲流計(jì)算中SEEP/W計(jì)算得到的孔隙水壓力，根據(jù)計(jì)算，得到不同工況下的最危險(xiǎn)潛在滑弧。給出兩種工況下背水側(cè)與臨水側(cè)壩坡的穩(wěn)定性系數(shù)，詳見表2。

表2 兩種工況下最危險(xiǎn)滑弧穩(wěn)定性系數(shù)

根據(jù)SL 645- 2013《水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，該圍堰等級(jí)為5級(jí)，其安全系數(shù)采用瑞典圓弧法計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)不小于1.05，簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算安全系數(shù)不小于1.05。

從表2中可知，兩種工況下圍堰的上下游壩坡穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求。最危險(xiǎn)情況出現(xiàn)于模型1的背水側(cè)的一級(jí)壩坡，如圖5～7。

圖5 模型1背水側(cè)二級(jí)壩坡最危險(xiǎn)滑弧(瑞典圓弧法)

圖6 模型1背水側(cè)一級(jí)壩坡最危險(xiǎn)滑弧(瑞典圓弧法)

圖7 模型1背水側(cè)整體壩坡最危險(xiǎn)滑弧(瑞典圓弧法)

根據(jù)以上整理的各工況背水側(cè)與臨水側(cè)的穩(wěn)定性系數(shù)及潛在滑弧位置分析可得：

(1)無論是模型1還是模型2，均在一級(jí)壩坡出現(xiàn)最危險(xiǎn)滑弧，整體壩坡的滑面的穩(wěn)定性系數(shù)均大于次級(jí)壩坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

(2)隨著拋石擠淤深度降低，壩體的穩(wěn)定性系數(shù)增加，但對(duì)二級(jí)壩坡的穩(wěn)定性并未有較大影響。

(3)滲流從上游朝向下游，產(chǎn)生了朝下游方向的滲流力，降低了背水側(cè)壩坡穩(wěn)定性，此外上游由于水壓的作用，增加了迎水側(cè)壩坡的穩(wěn)定性。因此，迎水側(cè)壩坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于背水側(cè)壩坡穩(wěn)定性系數(shù)。

(4)兩種工況下圍堰的壩坡穩(wěn)定性系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定系數(shù)最小值為模型1中的背水側(cè)的一級(jí)壩坡，其穩(wěn)定系數(shù)為1.069(瑞典法)/1.167(畢肖普法)。

4 施工過程應(yīng)力變形分析

4.1 計(jì)算模型

應(yīng)力變形采用GTS NX軟件通過施工步進(jìn)行分析，有限元模型坐標(biāo)系如下：取x軸由左岸壩坡的迎水側(cè)指向背水側(cè)，y軸為垂直方向，向上為正，坐標(biāo)與高程一致，劃分的有限元網(wǎng)格如圖8所示。應(yīng)力符號(hào)：拉為正，壓為負(fù)。

圖8 模型1網(wǎng)格劃分圖(節(jié)點(diǎn)：3381；單元：3200)

4.2 施工過程模擬

施工過程模擬步驟如下：

①初始地應(yīng)力平衡；②拋石擠淤施工；③土石填筑第一層；④土石填筑第二層；⑤土石填筑第三層，完畢。

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)兩種工況的施工過程進(jìn)行模擬，得到了圍堰在施工過程中的沉降變形和主應(yīng)力情況。整理數(shù)據(jù)如表3。

表3 沉降及大主應(yīng)力結(jié)果

相對(duì)于模型1，模型2的沉降明顯更低，沉降最大降幅達(dá)到55%，說明降低拋石擠淤深度有利于減小整體沉降。從表3中可知，兩種工況的沉降都比較小，模型1施工結(jié)束后的最大沉降占最大壩高0.18%，模型2施工結(jié)束后的最大沉降占最大壩高0.12%，均在1%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

采用有限元數(shù)值分析手段，對(duì)某改橋工程的筑島圍堰進(jìn)行了滲流、壩坡穩(wěn)定以及應(yīng)力變形分析，結(jié)論如下：

(1)模型1圍堰施工完成后沉降變形為5.39cm，模型2圍堰施工完成后沉降變形為3.59cm，變形較小，均在最大壩高的1%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

(2)在上游最高水位154.7m，下游無水情況下，兩種工況下計(jì)算的圍堰浸潤(rùn)線溢出點(diǎn)均在下游背水面底部，最大水力坡降在0.65～0.7之間，滿足滲透穩(wěn)定要求。在施工過程中，需對(duì)下游壩坡進(jìn)行排水處理，盡量降低浸潤(rùn)線高度。

(3)兩種工況下的圍堰上、下游壩坡穩(wěn)定性系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

(4)在填筑過程中，應(yīng)要求分層回填、碾壓密實(shí)，不得回填摻有耕表土、淤泥、淤泥質(zhì)土和建筑垃圾，確保填筑質(zhì)量。