洞庭湖區某堤防攪拌樁處置方案穩定性分析

摘" 要：對某堤防失事區域典型斷面進行穩定性分析，對土體參數進行反演，并基于反演參數對處理措施進行評價。結果表明，采用攪拌樁處置方案時，在目前單樁強度參數的基礎上，提高單樁強度參數粘聚力c至250 kPa或者增加攪拌樁置換率至20%均可滿足規范對于安全系數的要求，應結合工程造價等因素綜合選取處理方案。

關鍵詞：堤防;攪拌樁;穩定性分析;反演參數;處置方案

中圖分類號：TV871.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0084-05

Abstract： The stability analysis of the typical section of a dike accident area is carried out， the soil parameters are inversed， and the treatment measures are evaluated based on the inversion parameters. The results show that when adopting the treatment scheme of mixing pile， on the basis of the current strength parameters of single pile， increasing the cohesion of single pile strength parameter c to 250 kPa or increasing the replacement rate of mixing pile to 20% can meet the safety factor requirements of the code， and the treatment scheme should be selected comprehensively according to the factors such as project cost.

Keywords： dike; mixing pile; stability analysis; inversion parameters; disposal scheme

堤壩在長期運行過程中，受河水沖刷、滲流侵蝕、動植物以及在工程建設施工過程中的施工工藝影響，容易產生各種病害，嚴重的甚至導致堤壩滲漏，最后出現失穩情況[1-2]。

一旦發生險情，通常針對堤壩的實際情況采用合適的防滲加固方案進行處置，如灌漿法和設置防滲墻等[3]。當堤壩土體強度嚴重降低時，還需要采取置換等方式進行處理。

1" 基本情況

洞庭湖區某堤防在運行過程中出現了邊坡失穩的情況，現對堤防失事區域典型斷面（圖1）進行穩定性分析，對土體參數進行反演，并基于反演參數對處理措施進行評價。

2" 數值計算理論

邊坡穩定性計算采用GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊[4]來完成，邊坡穩定計算方法采用被廣泛應用的簡化Bishop法[5]。在沒有孔隙水的情況下，Bishop法求土坡安全系數FS公式為

為了簡化Bishop法的安全系數，需要首先給定一個FS的初始值。在SLOPE/W中，首先取瑞典條分法計算的FS作為初始值，然后利用這個初始值來計算ma，繼而求出新的FS，再由這個值去求新的ma和FS。這樣不斷迭代，直到前后2次的FS的差值達到允許的精度為止，這個過程通常只需迭代幾次即可收斂。

尋找最危險滑動面是一個試算的過程，每一個潛在的滑動面都對應著一個相應的安全系數，具有最小安全系數的試算滑動面就是最危險的滑動面。考慮到邊坡的滑裂面出入口已經顯現，故最危險滑動面采用剪入剪出法由程序自動搜索確定。

此外，由于程序自動搜索得到的滑面為圓弧滑動，SLOPE/W中可以在找到臨界滑動面后采用優化算法，可以得到一個安全系數更小的滑動面，此時滑動面形狀不再是圓弧型，而是一個復合型式。這與規范中“當堤基存在較薄軟弱土層時，宜采用改良圓弧法”保持一致。

邊坡穩定計算時采用Fredlund和Rahardjo提出的非飽和土抗剪強度公式

3" 模型及參數

所建二維模型如圖2和圖3所示，其中圖1有限元模型單元尺寸為1 m，共有4 983個節點，4 796個單元。

邊界條件：模型兩側X方向固定，模型底部雙向固定;地下水位根據鉆孔資料取25.8 m。

根據設計院提供資料及查閱相關文獻，計算參數見表1。

根據工程需要，擬定了以下幾個工況（表2）進行邊坡穩定性分析。

4" 計算結果分析

4.1" 未處理前計算結果

4.1.1" 穩定性分析

根據表1中參數，采用Bishop法對失事部位堤防左側邊坡穩定安全系數進行了計算，得到安全系數分別為1.402（圖4，圓弧滑動）和1.313（圖5，非圓弧滑動），說明邊坡處于穩定狀況。實際情況中，由于邊坡已經失穩，可見其安全系數小于等于1。因此需要對表1中參數進行適當調整，以反映邊坡的實際情況。

此外，對比圓弧滑動和非圓弧滑動計算結果，假設滑動面為圓弧時計算得到的安全系數相對偏大，考慮到地基為分層土和目前邊坡失穩的形態，復合滑動面更加符合實際。因此，后續的邊坡穩定計算均假設滑動面為復合滑動面。

圖6中對右側邊坡進行了驗算，其安全系數為1.589，滿足規范要求。

4.1.2" 參數反演

結合設計階段提供的設計參數，根據失事后現場試驗結果，部分參數進行了調整（表3），淤泥質粉質黏土的厚度也增加了一部分（原粉質黏土層調整為淤泥質粉質黏土）。

根據上述參數，計算得到邊坡安全系數為0.978，邊坡失穩，符合實際情況。此外，右側邊坡安全系數為1.259，符合規范要求。

4.1.3" 變形分析

為進一步分析堤防的變形情況，采用反演參數對堤防的變形進行了計算。土體本構模型采用彈塑性模型。圖7是堤防變形矢量圖，堤防整體將向下沉降，左側邊坡坡腳部位出現向上隆起，這與實際情況基本吻合，這在圖8堤防變形云圖中也得到了體現。圖9是塑性區分布，在淤泥質粉質黏土層中，出現了大面積且貫通的塑性變形區域。

需要說明的是，圖8堤防變形云圖中最大變形達到了8 m，這是與材料參數（尤其是變形模量）相關的，本次計算采用的是類似工程的參數，并不能完全反應本工程真正的變形量，但是還是可以從中看出堤防的變形趨勢。如果后續計算需要得到真正的變形量，應當對土體補充試驗獲得相關參數。

為分析邊坡失穩原因，圖10給出了堤防及地基中超孔隙水壓力分布，其中部分區域出現大于450 kPa的超孔隙水壓力。過高的超孔隙水壓力是本工程出現失穩的重要原因。

4.2" 攪拌樁處理方案計算結果

4.2.1" 攪拌樁置換率敏感性分析

經攪拌樁處理后的復合地基強度參數根據置換率采用面積加權法進行計算。得到的邊坡安全系數為1.116（圖11）。考慮到本方案置換率較小（約為6%），堤防安全系數有所提高，但是提高值有限。

為分析置換率對邊坡穩定的影響，分別計算了當置換率提高到10%、20%時的邊坡安全系數（圖12）為1.157、1.260。因此，按照當前的計算參數，攪拌樁置換率應達到20%以上時才能夠滿足規范對安全系數的要求。

4.2.2" 攪拌樁單樁強度參數敏感性分析

根據上節計算，需要20%的置換率才能夠滿足安全系數需求，為節約成本，可以從提高單樁強度角度進行分析。因此，對攪拌樁單樁強度參數進行敏感性分析。

攪拌樁置換率保持為6%不變，當攪拌樁單樁強度增加時，堤防邊坡安全系數如圖13所示。當攪拌樁強度大于250 kPa時，堤防安全系數可以達到1.25，滿足規范對安全系數的要求。

5" 結論

1）本計算采用的參數目前來源于提供的資料或者文獻，部分參數進行了敏感性分析，需要進一步校核。

2）采用攪拌樁方案時，在目前單樁強度參數的基礎上，提高單樁強度參數黏聚力c至250 kPa或者增加攪拌樁置換率至20%均可滿足規范對于安全系數的要求，可結合工程造價等因素綜合選取處理方案。

參考文獻：

[1] 李秀遠.水利工程堤防防滲施工技術研究[J].工程技術研究，2021，6（3）：96-97.

[2] 李蔚.河道堤防工程滲漏原因及防滲措施研究——以樟樹市蒙河堤樁工程為例[J].水利科學與寒區工程，2022，5（4）：109-111.

[3] 崔淑紅.防滲加固技術在水利堤防工程中的具體應用[J].科學技術創新，2019（16）：143-144.

[4] GEO-SLOPE International Ltd. Slope modeling with SLOPE/W 2007[M]. Calgary， Alberta， Canada： 2010.

[5] BISHOP A W. The use of thes slip circle in the stability analysis of slopes[J]. Geotechnique. 1955，5（1）：7-17.