圍堰穩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過程中，為保證工程的正常開展，常需要建設圍堰等臨時擋水物。圍堰的穩定性影響著工程建設的開展及進度，影響其穩定性的因素較多，確定對圍堰穩定性影響的關鍵因素至關重要。

針對以上問題，許多專家學者開展了相關研究。周璐等[1]以某航電樞紐工程砂礫體圍堰為研究對象，利用有限元軟件，建立降雨模型，研究圍堰內部滲流場變化對其穩定的影響。戴良軍等[2]以某大橋索塔基礎工程為研究對象，基于相關計算理論，建立風險模型，分析不同方式圍堰對其抗滑風險差異性。章榮軍等[3]基于Monte Carlo模擬法，建立強度隨機分布場，分析空間變異性對圍堰穩定性的影響。汪洋等[4]以某水工建筑物為研究對象，基于有限差分法，分析圍堰拆除過程對其周圍邊坡穩定性的影響，以此分析拆除方案的安全性。黃宇等[5]以某河床承臺圍堰為研究對象，分析當覆蓋層鋼板樁入土深度較小時，圍堰穩定性的變化規律。

本文以某地區圍堰為研究對象，分析土體的物理性質對圍堰穩定性的敏感性，研究其變化對圍堰安全性的影響程度，提出以TRD與拋石結合的圍堰加固方法，并分析其加固效果。

1 工程概況

作為研究對象的某地區圍堰，其總高度為26.5 m，全長1 542 m，采用袋裝土護坡。考慮到滲流作用對其穩定性的影響，采用袋裝砂護坡和土工布的形式，形成封閉防滲體系，以維持圍堰結構的穩定性。該地區水文地質情況良好，土體主要為粉質黏土、淤泥質土。圍堰拋填料相關力學參數見表1。

表1 圍堰拋填料相關力學參數

2 計算方法

本研究利用有限元軟件，對圍堰的穩定性進行分析，假設土體中的滲流情況符合Darcy定律。同時，引入強度折減系數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。

圍堰的堰體和堰基材料相關參數見表2。

表2 堰體和堰基材料相關參數

3 圍堰參數敏感性分析

3.1 安全系數敏感性分析

由于圍堰的穩定性受多種因素的影響，為研究其穩定性受相關參數的影響程度，對相關參數進行敏感性分析。

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

圖1 圍堰明渠開挖土內摩擦角敏感性分析

圍堰明渠開挖土黏聚力敏感性分析見圖2。由圖2可知，黏聚力與安全系數呈正相關關系，上游圍堰的曲線增長趨勢接近線性增長，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圍堰穩定性有顯著的提高作用。在黏聚力較小時，上下游圍堰的曲線斜率差距較小；隨著黏聚力的增大，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，說明黏聚力對下游圍堰安全系數的敏感性較高，黏聚力的改變對于下游圍堰的穩定性影響程度較大。當明渠土的黏聚力小于7.9 kPa時，上下游圍堰的安全系數均小于安全系數限制，說明此時圍堰已發生破壞失穩，不滿足設計要求。在實際工程中，可考慮提升下游圍堰的黏聚力，達到增大圍堰穩定性的目的。

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敏感性分析見圖3。由圖3可知，明渠土的滲透系數與安全系數呈負相關關系。上下游圍堰的曲線均接近線性下降趨勢，且下游圍堰的安全系數大于上游圍堰，但是其曲線變化趨勢較為平緩，說明改變滲透系數對圍堰穩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，說明滲透系數對下游圍堰的穩定性敏感性較高，滲透系數的改變對于下游圍堰的穩定性影響程度較大。這是由于下游圍堰與水的接觸面積較大，水的滲流作用會影響圍堰的穩定性，而上游與水的接觸面積較小，所以滲透系數的改變對于上游圍堰穩定性的影響較小。由于滲透系數對于圍堰穩定性的敏感性較低，所以即使滲透系數增量較大，上下游圍堰的安全系數均大于安全系數的限制值。

圖3 圍堰明渠開挖土滲透系數敏感性分析

3.2 側向位移敏感性分析

根據上述分析可知，對圍堰穩定性敏感性較高的分別為黏聚力和內摩擦角。由于圍堰的位移是影響其穩定性的主要因素之一，本節以下游圍堰為研究對象，基于實際工程的監測數值，分析黏聚力和內摩擦角對圍堰位移的敏感性影響情況。

圖4為減小3°內摩擦角對圍堰側向位移的影響。由圖4可知，隨著時間的增大，圍堰的側向位移逐漸增大。當時間小于60 d時，圍堰的側向位移無明顯的變化趨勢；當時間大于60 d小于100 d時，圍堰的側向位移逐漸增大，其增長趨勢接近線性增長；當時間大于100 d時，圍堰的側向位移增長趨勢顯著，其增長率較大，說明在時間較短時，改變內摩擦角對圍堰位移的影響較小；隨著時間的增長，內摩擦角對圍堰側向位移的影響較大。這是由于當時間較短時，圍堰仍處于固結階段，此時發生的位移較小；隨著時間的增長，圍堰逐漸過渡到變形和加速變形階段，此時圍堰發生變形，且其變形增量較大，變形速度較快。在實際工程中，當時間大于60 d時，應重點關注由于內摩擦角改變而導致的圍堰變形情況，以保證圍堰的穩定性。

圖4 減小3°內摩擦角對圍堰側向位移的影響

圖5為降低黏聚力4 kPa對圍堰側向位移的影響。

圖5 降低黏聚力4kPa對圍堰側向位移的影響

由圖5可知，黏聚力與側向位移呈正相關關系，說明提升土體的黏聚力可有效控制圍堰變形。當時間小于60 d時，圍堰的側向變形接近線性增長，其增量較為穩定；當時間大于60 d時，圍堰的側向位移增長趨勢顯著，其增長趨勢接近指數增長，其增量逐漸增大，說明隨時間的增大，降低黏聚力對圍堰變形產生的影響較大。對比降低內摩擦角對圍堰側向位移的影響可知，當時間為120 d時，降低黏聚力發生的位移側向位移較小，說明黏聚力對圍堰側向位移的敏感性較低，圍堰的側向位移主要受內摩擦角的影響。在實際工程中，由于內摩擦角的敏感性較高，應主要考慮土體內摩擦角變化而產生的圍堰變形，輔以黏聚力對圍堰位移的影響分析。

4 TRD與拋石結合加固圍堰

為改善該圍堰的穩定性，采取TRD與拋石結合的方法對圍堰進行加固，并根據工程實際監測數據，分析其沉降及水平位移變化規律。選取4個測點對圍堰的沉降規律進行分析，其累計沉降-深度曲線見圖6。由圖6可知，隨著深度的增大，各測點的累計沉降均呈先增大后減小的趨勢，且隨著時間的增大，各測點的最大累計沉降逐漸增大；當深度較小時，相同時間下的累計位移數值較為集中，隨著深度的增大，不同測點的沉降數值具有一定的差異性，其中30 d的各測點間的差值最大。當時間為0 d時，各測點的累計位移數值較為集中，其中測點3的累計位移最大；當時間為30 d時，各測點的累計位移數值存在一定的差異性，當深度大于6 m時，各測點間的差異較為明顯，其中測點1的累計位移最大。根據相關規范可知，采用TDR和拋石結合加固方案的最大累計位移小于規范規定的限值，說明該加固方案對圍堰的穩定性有明顯的改善效果，滿足實際工程的要求。

圖6 累計沉降-深度曲線

選取8個測點對圍堰的水平位移規律進行分析，其累計沉降-時間曲線見圖7。由圖7可知，隨著時間的增大，各測點的累計水平位移無明顯的變化規律，各測點的累計水平位移主要集中于-0.5～-4.5左右。其中，當時間為0～5 d時，各測點的水平位移均呈下降趨勢，且在該階段圍堰的水平位移變化量較大；隨著時間的增大，后續圍堰水平位移變化相對較為平緩。這是由于當時間較短時，圍堰的土體仍處于固結階段，此時其變形沉降量較大；隨著時間的增長，各測點的土體趨于穩定，土顆粒間逐漸致密化，不再發生變形，此時發生的變形量較小。根據相關規范可知，采用TDR和拋石結合加固方案的最大水平位移小于規范規定的限值，說明該加固方案對圍堰的穩定性有明顯的改善效果，滿足實際工程的要求。

圖7 累計沉降-時間曲線

5 結 論

本文以某地區圍堰為研究對象，分析土體的物理性質對圍堰穩定性的敏感性，研究其變化對圍堰安全性的影響程度，提出以TRD與拋石結合的圍堰加固方法，并分析其加固效果，結論如下：

1) 內摩擦角對圍堰的安全系數及側向位移敏感性較高，黏聚力次之，滲透系數最小。在實際工程中，應主要考慮土體內摩擦角對圍堰穩定性的影響，輔以黏聚力對圍堰穩定性的影響分析。

2) 下游圍堰的安全系數大于上游圍堰，說明上游圍堰的穩定性較差。上下游圍堰內摩擦角-安全系數曲線斜率具有一致性，其差距較小，說明內摩擦角的變化對于上下游圍堰穩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和拋石結合的加固方案的最大水平位移和沉降小于規范規定的限值，說明該加固方案對圍堰的穩定性有明顯的改善效果，滿足實際工程的要求。