薛　龍

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥　230000)

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大同圩堤防出險段加固設計

薛龍

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥230000)

文章介紹了大同圩堤防的出險情況，并采用剛體極限平衡法、有限元法計算了該段堤防的穩(wěn)定狀態(tài)，模擬出堤身內(nèi)力場分布規(guī)律和塑性應變范圍，提出了可靠的加固措施。

抗滑穩(wěn)定；剛體極限平衡法；有限元法；塑性應變

2012-10月，汛后對大周圩檢查發(fā)現(xiàn)樁號5+470～5+510段在堤頂沿堤軸線方向(主要靠近內(nèi)堤肩)發(fā)生開裂，裂縫長度近40m，縫寬20mm～30mm，裂縫的兩端均以弧形狀向堤外坡延伸。11月對該段堤防進行了詳細的計算分析，提出了處理方案，2012年汛前完成加固。

1　存在的主要問題

堤防出險段堤基位于原圩區(qū)一老河汊，該堤段地勢低洼，堤基軟弱，自地面以下有較厚淤泥質粉質壤土層，存在的主要問題如下：

(1)堤基穩(wěn)定問題。堤基下②2層淤泥質粉質壤土，厚度達22m，呈流塑，局部軟塑狀，在堤身及堤頂重載車輛的作用下，容易壓縮變形，從而影響到堤身穩(wěn)定。②2層淤泥質粉質壤土在外坡腳近乎直接出露，堤腳臨水，汛期直接受水流沖刷、迎流頂沖，形成浪坑、浪孔，對抗滑穩(wěn)定不利，導致堤身滑坡、開裂等險情產(chǎn)生。

(2)堤身岸坡穩(wěn)定問題。該段堤防主要修建在第四系沖積平原上，大部分堤身與堤基的接觸部位富含有機質殘骸，結構松散、孔隙較多，滲透性較強，表層為后期加固的黏性土，滲透性較小。汛期堤身土體孔隙中賦存水量較多，汛后難以滲出，從而產(chǎn)生較大的動水壓力，加之岸坡較陡，水位下降時堤身岸坡土體發(fā)生蠕變，導致堤身產(chǎn)生裂縫。

2　加固措施

根據(jù)地形和地勘資料，采取的加固措施如下：① 堤防外坡增設反壓平臺長100m，原外坡腳干砌石護坡拆除后恢復；②沿堤頂裂縫挖槽至裂縫底部，清除土方后重新回填；③增設內(nèi)坡平臺長200m。

3　穩(wěn)定計算分析

3.1抗滑穩(wěn)定分析

(1)剛體極限平衡法。采用Slope程序，根據(jù)瑞典條分法原理計算堤防斷面的完建期、穩(wěn)定滲流期和水位降落期的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，地層參數(shù)采用地勘報告推薦的指標計算，計算成果如表1所列。

表1　堤防斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果表

由表1可見，加固前堤防穩(wěn)定安全系數(shù)在完建期及穩(wěn)定滲流期均滿足規(guī)范要求；但外坡水位降落期安全系數(shù)在1.0附近，不滿足規(guī)范要求，坡面滑動處在臨界狀態(tài)，容易失穩(wěn)。通過增設內(nèi)外坡平臺等措施加固后各工況計算結果均滿足規(guī)范要求。

(2)有限元法。土體的數(shù)值分析方法考慮土體應力應變關系，克服了極限平衡方法完全不考慮土體本身的應力-應變關系的缺點，為邊坡分析提供了一種更全面的分析方法和手段。有限元法是數(shù)值分析方法中發(fā)展最快的一種，它可以考慮土體的非均勻性、各向異性、非連續(xù)性及非線性等，適用于各種實際的邊界條件。應用ANSYS程序進行有限元分析，應力及塑性應變成果分別如圖1和圖2(圖中的單位：應力Pa，位移m)所示。

圖1　堤防加固前、后Y方向應力云圖

圖2　堤防加固前、后塑性位移云圖

分析圖1與圖2可見，① 深層應力、應變的影響。從深層應力及塑性應變云圖看，應力值一般在132～267kPa范圍以內(nèi)；經(jīng)多年預壓固結，塑性應變值一般在0.03m范圍以內(nèi)，不會造成深層滑動。② 加固前后塑性應變區(qū)變化。加固前最大塑性應變?yōu)?.0287m,加固后為0.0215m,減小幅度為25%，且加固后塑性發(fā)生范圍縮減20%左右。由于塑性變形不僅和堤身位移有關，更直接關系到堤身的穩(wěn)定問題。因此，加固后堤身的穩(wěn)定性得到顯著提高。

3.2滲流穩(wěn)定分析

采用AUTOBANK程序進行計算，外河水位采用設計洪水位，堤基坡腳處滲流的最大出逸比降為0.139，堤后出逸點高度0.11m。堤身、地基均為粉質壤土，滲透變形的類型為流土型。堤身及地基的水平滲流坡降最大值為0.19，小于容許滲流坡降值，滲流是穩(wěn)定的。出逸段與背水側堤基表面的出逸比降最大值為0.139，小于容許出逸坡降0.30，堤后坡腳滲流穩(wěn)定。從堤防建成至今未發(fā)現(xiàn)堤基深層管涌等險情來看，堤基深層滲流穩(wěn)定。

3.3沉降穩(wěn)定分析

(1)運行期堤身沉降量計算。采用AUTOBANK程序計算因汛期及汛后水位變化造成的堤身沉降值?，F(xiàn)狀堤身在外水位及堤身浸潤線變化前后發(fā)生的沉降量為11mm，沉降值較小。采取工程加固措施后，相應沉降量降低為7mm，減少幅度為36%，有利于堤身的穩(wěn)定。

(2)有限元分析。采用ANSYS程序，模擬計算汛后水位變化造成的堤身沉降值。加固前堤身在水位變化后的沉降量為12mm，加固后相應沉降量為8mm，減少幅度為33%，加固措施對堤身穩(wěn)定有利。

3.4險情原因分析及加固結論

根據(jù)上述計算，結合現(xiàn)場地形地貌及對本段堤防險情原因的分析，其加固措施評價如下：①該堤段位于老河汊深厚軟基段。自2000年加固以來，堤防表面加培一層粘性土層，受原老河汊地勢影響，外河灘地較陡，外坡腳地面高程由9.5m左右降低為7.5m，坡面易失穩(wěn)。②現(xiàn)狀堤防外。其坡在水位降落期穩(wěn)定安全系數(shù)約為在1.0，堤防穩(wěn)定性差，不滿足設計規(guī)范要求，堤身浸潤線下降時，上游坡面處于滑動的臨界狀態(tài)，導致頂部首先產(chǎn)生裂縫。③滲流穩(wěn)定滿足設計規(guī)范要求。④深層塑性應變。從深層塑性應變云圖看，一般不會造成深層滑動。經(jīng)多年預壓固結，堤防總沉降已基本穩(wěn)定，變位總體趨緩，塑性應變值一般在0.03m范圍以內(nèi)，不會造成深層滑動。⑤堤防邊坡的內(nèi)外坡腳。適當增設壓穩(wěn)平臺后，堤防內(nèi)外坡各運行工況下穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，堤防沉降量減少幅度達30%以上，有利穩(wěn)定。本次除險加固采取的內(nèi)外坡腳填筑壓穩(wěn)平臺措施是合適的。

4　結束語

通過多種方法對大同圩出險段堤防的穩(wěn)定狀態(tài)進行計算分析，模擬應力應變云圖，直觀反應了各種工況下堤身及堤基的內(nèi)力場分布規(guī)律、塑性應變的大小及范圍，相互驗證了各種分析方法是合理的，得到的計算成果符合實際，為該工程的加固處理措施提供了可靠依據(jù)，可為類似工程的加固提供一定參考。通過3年來的汛期考驗，以及變位監(jiān)測等，大堤未發(fā)生異常情況，邊坡穩(wěn)定，發(fā)揮了應有的效益。

[1]GB 50286-2013，堤防工程設計規(guī)范[S].

[2]盧廷浩.土力學(第2版)[M].南京：河海大學出版社，2011.

[3]錢家歡，殷宗澤.土工原理及計算(第2版)[M].北京：中國水利水電出版社，1996.

[4]安徽省水利水電勘測設計院.江南產(chǎn)業(yè)集中區(qū)大同圩堤防5+470～5+510段除險加固工程設計報告[R].2011.

(責任編輯胡進)

Reinforcement design of Datongwei Levees dangerous section

XUE Long

(Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower，Hefei 230000,China)

This paper introduces the dangerous condition of the Datongwei levee,using the rigid limit equilibrium method and finite element method to analyze the steady state of the levee,in this way to simulate the distribution of internal forces field and plastic strain range,and proposes a reliable reinforcement measures.

stability against sliding；rigid limit equilibrium method；finite element method；plastic strain

2016-05-03；

2016-05-08

薛龍(1984-)，男，安徽蕭縣人，工程師，主要從事水利工程設計工作。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.03.012

TV871

A

1671-6221(2016)03-0038-03