均質土截流圍堰施工安全穩定性驗算

劉小虎

(東臺市水利建設有限公司，江蘇 東臺 224200)

何垛河河道拓浚工程計劃安排在冬、春季施工，采用筑壩干法施工，但根據工程實際進度，考慮河道跨汛施工。為確保均質土施工截流圍堰安全、穩定的運行，對均質土截流圍堰的高度、滲流及邊坡穩定性進行分析驗算，通過分析表明：該結構尺寸的均質土圍堰作為擋水建筑物，能夠安全穩定的運行，保證河道內施工作業的安全。

1 工程概況

里下河川東港工程主要由川東港、何垛河、丁溪河與車路河等河段構成，全長91.95km。工程主要建設內容為河道開挖、直立擋墻加斜坡及灌注排樁等，其中河道拓挖全長2.8km，邊坡比1∶3，河堤設計高程-3.0m，底寬30m；直立擋墻加斜坡全長4721m，擋墻高程0.5～2.6m，斜坡高程-0.5～0.5m；灌注排樁直徑1.2m，全長426m，墻頂高程4.0m。

2 均質土圍堰設計

根據規范要求，經計算汛期10年一遇高水位為2.78m，安全超高0.5m，考慮波浪爬高及預留沉降0.7m，計算頂高程3.98m。施工圍堰設計標準：圍堰頂寬5m，頂高程4.0m，背水側邊坡1∶4、臨水側邊坡1∶3，并在背水側設置寬5m的戧臺，戧臺頂高程2.5m。本標段施工截流圍堰填筑區域位于干河樁號15+800、18+270及各支河口處，施工方法采用進占法，施工機械為160型推土機配合220型挖掘機，根據工程地質報告要求選擇①1層土料作為截流圍堰填筑材料，截流圍堰斷面形式如圖1所示。

3 計算分析

為保證均質土圍堰在高水位狀態下的安全穩定性，可從如下幾方面分析體系的整體性能，即圍堰的變形、高度、整體穩定性、基底抗滑性是否滿足規范要求，圍堰是否發生滲流破壞[1-4]。

3.1 圍堰高度驗算

依據SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》規定，對均質土截流圍堰頂高程進行驗算，計算

圖1 土質圍堰斷面形式

表達式如下：

y=R+e+A

(1)

式中，y—壩頂超高，m；R—最大波浪在壩坡上的爬高，m；e—最大風壅水面高度，m；A—安全加高，m，根據施工壩的等級，查表5.3.1取0.5m。

波浪的平均波高、平均波周期采用莆田試驗站公式，其計算表達式如下：

(2)

(3)

式中，hm—平均波高，m；Tm—平均波周期，s；W—計算風速，m/s，根據氣象統計資料統計，東臺地區全年最大風速為10m/s；D—風區長度，m，按5倍的河道設計寬度260m；Hm—水域平均水深，m；g—重力加速度，取9.81m/s2。

平均波長計算表達式如下：

(4)

式中，Lm—平均波長，m；H—壩迎水面前水深，m。

正向來波在單坡上的平均波浪爬高計算表達式如下：

(5)

式中，Rm—平均波浪爬高，m；m—單坡的坡度系數，若坡角為α，即等于cotα；KΔ—斜坡的糙率滲透性系數，根據護面類型查表A.1.12- 1取0.9；Kw—經驗系數，查表A.1.12- 2取1.02。

根據以上公式及參數，施工截流圍堰超高計算成果見表1。

表1 施工截流圍堰超高計算成果表

截流圍堰驗證頂高程為防洪設計水位+安全超高，即2.87+0.75=3.62m<設計高程4.00m。綜上所述，施工截流圍堰設計高程滿足安全要求。

3.2 圍堰滲流計算

根據地質報告顯示，截流圍堰填筑在②層土上，②土層主要為灰色淤泥質重粉質壤土，滲透系數5.10×10-6；截流圍堰采取①1層土料作為填筑材料，①1土層主要為灰黃、黃灰色輕、中粉質壤土，滲透系數3.65×10-5，上述兩種土層滲透系數低，所以該均質土截流圍堰滲流計算按不透水地基驗算。

根據地質報告分析，川東港沿線鉆探所揭示的土層多為細粒土，判定場地土的滲透變形形式為流土型。各層土的垂直向臨界水力比降Jcr取決于土的比重Gs和土的孔隙率n%，計算公式為：Jcr=(Gs- 1)(1-n)，以土的臨界水力比降除以安全系數(一般取2.0)為允許水力比降。計算得：①1土層臨界水力比降為0.91，允許水力比降為0.45；②層土層臨界水力比降為0.65，允許水力比降為0.32。

通過滲流分析計算確定滲流量、浸潤線及其在下游壩坡的出逸點，求出壩內平均滲透比降，下游坡腳點比降是否滿足規范要求[5- 7]。

根據GB 50286—2013《堤防工程設計規范》附錄E推薦公式如下：

(6)

L1=L+ΔL

(7)

(8)

(9)

式中，q—單位寬度滲流量，m3/(s·m)；k—堤身滲透系數，m/s；H1—上游水位，m；H2—下游水位，m；h0—下游出逸點高度，m；m1—上游坡坡率；m2—下游坡坡率；L1—滲流總長度，m；L—上游水位與上游堤坡交點距下游堤腳或排水體上游端部的水平距離，m；ΔL—上游水位與堤身浸潤線延長線交點距上游水位與上游堤坡交點的水平距離，m；y—浸潤線上任意一點距下游堤腳的垂直高度，m；—浸潤線上任意一點距出逸點的水平距離，m。

滲流量計算、浸潤線分析成果見表2。

表2 浸潤線分析成果

下游無水(H2=0)時，滲出點A點、截流圍堰坡腳與不透水面交點B的滲透比降分別按下列公式計算：

(10)

(11)

式中，JA—下游無水背水坡A點出口比降；JB—下游無水背水坡B點出口比降。

壩身平均比降：

(12)

由計算成果可知，截流圍堰背水坡出逸段、坡腳出逸比及堰身平均比降見表3均小于允許比降，滿足滲流穩定條件，故施工截流圍堰滲流處于安全穩定運行狀態。

3.3 圍堰背水坡穩定性分析

圍堰背水坡穩定性采用瑞典條分法進行分析，自然界勻質土坡失去穩定，滑動面呈曲面，通?；瑒用娼咏鼒A弧，可將滑裂面近似成圓弧計算如圖2所示[8- 10]。

3.3.1計算參數的選取

截流圍堰采?、?層土料作為填筑材料，根據地質報告顯示，滑動面上的粘聚力c1=10.1kPa，滑動面上的內摩擦角φ=22.5°，土體比重GS=27.2kN/m3。

3.3.2施工截流圍堰滑動面圓心輔助線確定

根據4.5H法確定最危險滑動面圓心輔助線位置，由于圍堰上無恒載，故不考慮圍堰上的外部荷載，從圖2中得到邊坡斜度1∶4，邊坡傾斜角14.03°，查表得β1為25°，β2為36°，繪圖得到圓心輔助線。

3.3.3條分法分析土坡穩定

將滑動土體分成若干豎向土條，土條i寬度按b=0.1R，該土條i上存在著土條自重、作用于土條弧面上的法向反力、作用于土條圓弧面上的切向阻力。根據土坡極限平衡穩定推導出整個土坡相應的滑動面的穩定安全系數為：

(13)

式中，Mr—土條i上的作用力對圓心O產生的穩定力矩；Ms—土條i上的作用力對圓心O產生的滑動力矩；ci、φi—滑動面上的粘聚力及內摩擦力；Wi—土條i自重。αi—土條i滑動面的法線與豎直線的夾角；li—土條i滑動面ef的弧長；n—土條分條數

多次計算成果見表4，當圓心坐標x=5.16、y=19.17、滑動圓弧半徑R=19.85時，所對應的滑弧為最危險的滑動面，其穩定安全系數為2.46，根據SL 645—2013《水利水電工程圍堰設計規范》表6.5.1土石圍堰邊坡穩定安全系數表4、5級圍堰穩定安全系數不小于1.05，由上述計算知，截流圍堰邊坡穩定安全系數大于規范規定值，截流圍堰邊坡處于穩定狀態。

圖2 圍堰背水坡滑動面計算圖

表4 截流圍堰背水坡滑動面穩定分析計算表

4 結論

本文分析均質土截流圍堰處于不透水地基，但在實際施工中截流圍堰填筑采用“進占法”施工，將截流圍堰下的淤泥質土排擠到圍堰兩側，在河床積水排除后、戧臺填筑前，須將圍堰背水側淤泥清理干凈，保證整個截流圍堰處于不透水地基上，是分析均質土截流圍堰安全穩定運行的前提。通過對截流圍堰頂高程復核、滲流穩定計算、邊坡穩定性分析以及截流圍堰在工程施工期間的實際運行情況，未發生不安全狀況。上述工程技術對均質土圍堰安全穩定分析方法，可為其他類似工程的圍堰方案設計和安全穩定性分析提供一定參考依據。