趙延政

(山西省滹沱河坪上水利工程管理局，山西 五臺 034000)

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堤防工程施工技術(shù)探討

趙延政

(山西省滹沱河坪上水利工程管理局，山西 五臺 034000)

堤防工程是我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的重要課題，關(guān)乎到人民群眾的安危，事關(guān)國家防洪事業(yè)的發(fā)展。為了保證堤防工程的質(zhì)量，本文以入河道堤防為實例，進行該工程施工技術(shù)模擬分析，以及堤防加固技術(shù)，提高壩體穩(wěn)定性與可靠性。

堤防工程；施工技術(shù)；模型；防洪工程；數(shù)值模擬

0 引 言

我國防洪工程體系的重要組成部分之一為堤防，在堤防的數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)上，不同的穩(wěn)定處理機制與分析模式，為堤防風(fēng)險預(yù)防提供了豐富的經(jīng)驗與基礎(chǔ)。伴隨著長達(dá)多年的經(jīng)濟的不斷發(fā)展與進步，堤防面臨著諸多破壞與影響，堤防的使用功能嚴(yán)重的受到影響，直接的影響著人們的生命以及財產(chǎn)安全。堤防事業(yè)工程的好壞直接與人們的切身利益相關(guān)聯(lián)。

如今，堤防的多種防護機制應(yīng)用在護坡結(jié)構(gòu)中，不同的結(jié)構(gòu)模式產(chǎn)生不同的特性。但是由于技術(shù)的不全面以及技術(shù)的適宜性不高，一個合理的堤防施工機制難以滿足當(dāng)前的需求[1-2]。

為此，研究堤防施工技術(shù)的研究與數(shù)值模擬分析，對提高堤防的可靠性與安全性至關(guān)重要。本文結(jié)合徐州地區(qū)某堤防為研究對象，構(gòu)建該工程的數(shù)值模擬模型，采取AutoBank 土壩與堤防分析系統(tǒng)對該地區(qū)3個斷面的數(shù)值分析，在此基礎(chǔ)上，針對數(shù)值結(jié)果，提出相應(yīng)的加固措施與方法，實證表明該模型切實可行。

1 工程概況

堤防作為我國防洪工程體系的重要組成部分，經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了對施工機具、填筑標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)處理、滲流、堤體穩(wěn)定性、堤體分區(qū)以及筑堤材料等統(tǒng)一的技術(shù)體系。

由于在河道修筑河岸時面臨的最大難題是施工后河道的不均勻沉降問題。由于多數(shù)提防工程基礎(chǔ)為淤泥軟基，土基中含水量較高、透水性差、壓縮性較大、穩(wěn)定性差，同時又受到河道水流的沖擊，導(dǎo)致堤坡結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。

為了能夠?qū)Φ谭朗┕ぜ夹g(shù)進行分析，本文基于淮河入海口某河道工程在深厚軟淤土上筑堤，該河道的整體堤壩長度為48km，地基中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度在5～30m不等,堤身填筑高度8～9m，在該地區(qū)河道工程具備較差的地質(zhì)環(huán)境，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(3-1層)的位置在于地面2m左右分布，整個表層的黏聚力范圍[13,15]MPa,[3°，6°]為該地區(qū)的內(nèi)摩擦角，整個堤壩具有較差的抗剪強度值。

由于該地區(qū)工程的復(fù)雜性與軟土特性的特殊性，為了能夠在軟土地基上進行筑堤是該工程考慮的重點內(nèi)容。該護岸設(shè)計按照20a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進行方案設(shè)計。

河道土質(zhì)共分3個土質(zhì)層，7個工程地質(zhì)亞層，其物理特性如表1所示。

表1 工程物理特性

為控制河道堤岸施工速度，確保河道工程施工的安全，規(guī)定施工期間堤岸沉降速率控制在10mm/d，水平位移速率控制在5mm/d以內(nèi)。在河道沿岸設(shè)置12個觀測面，每沉降觀測面設(shè)3個觀測點。0.2m 的重粉質(zhì)壤土在該堤壩的背水坡位置覆蓋，砂性土層的厚度為3 m左右，當(dāng)該地區(qū)降雨量達(dá)，水位較高的情況下，砂層分水膜通過砂性層并滲出后，滑塌問題會隨著產(chǎn)生，在此環(huán)境下必須進行反過濾處理機制來完成。

大量的植物根系以及淤泥質(zhì)土和細(xì)砂在該地區(qū)存在，造就了具備較為復(fù)雜的貼坡組成雙層結(jié)構(gòu)黏下砂類為該項目的土質(zhì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)該地質(zhì)條件未被損壞的情況下，地基的抗?jié)B透性良好[3]。

2 堤防工程施工模擬分析

2.1 堤防工程數(shù)值模擬模型

本文為了研究堤防工程的數(shù)值模擬，選擇了3個斷面分別定義為141+762、143+050和 144+500，對上述的3個斷面進行穩(wěn)定性的受力分析與模擬。在該工程的計算與模擬中選擇圓弧逼近方法。求解的方式采取的“AutoBank 土壩與堤防分析系統(tǒng)”設(shè)計的程序軟件進行分析與判定。

整個模型的構(gòu)建完成后，錄入相關(guān)參數(shù)信息，單元格劃分，定義約束條件等相關(guān)的計算前提下，一分時段的方式來完成數(shù)值的模擬分析，得到了相關(guān)數(shù)值計算的圖形，包含了流速等值線與矢量圖、等勢線、滲流量數(shù)值等。浸潤線可以作為堤防穩(wěn)定性判定的根據(jù)。

1)計算斷面的打開，首先對計算段進行確定后，將Slope 程序進行啟動完全后，AutoCAD接收到了斷面輸入的個人信息。

2)土層線的分層劃分，多義線被描繪出來后，來對不同圖層的分界線進行定義與分析。

3)土層信息的輸入，構(gòu)建后該地質(zhì)模型的動力學(xué)指標(biāo)，設(shè)計出合適的土層信息，定義土層數(shù)值信息，利用顏色來對每一個土層線進行劃分。

4)浸潤線信息輸入，在該軟件中將處于工程項目的浸潤線進行輸入與設(shè)置后，當(dāng)工程項目處于施工階段中，該計算過程不存在；當(dāng)處于驟降工程條件下，則表達(dá)了驟降前后的2個浸潤線情況。

5)滑動面范圍的定義與表達(dá)，根據(jù)不同的工程條件進行每一個滑動面的變化步長與范圍大小，該頂點的位置在坡面上進行設(shè)定。根據(jù)軟件系統(tǒng)自動的進行相關(guān)信息的組合與處理，不同的滑動面得到了生成與生成。當(dāng)滑動面的信息被確定后，需要進行未知的復(fù)檢的環(huán)節(jié)，頂點范圍的定義可以取消。

6)信息的求解，選擇不同的計算模型與工況信息后，計算與處理相關(guān)信息，得到了該工程的對應(yīng)的滑動面與最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等相關(guān)信息，并在交互式界面顯示出來。

141+762斷面、143+726斷面、144+762斷面的計算結(jié)果如圖1～圖3所示。。

圖1 141+762完建期內(nèi)河側(cè)

圖2 143+762完建期內(nèi)河側(cè)

圖3 144+762完建期內(nèi)河側(cè)

2.2 數(shù)值模擬實證分析

如表2所示，展示了該計算方法堤壩的穩(wěn)定性的計算結(jié)果信息。根據(jù)堤防工程設(shè)計的相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定[K]=1.15為非常運用條件下的堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，相反正常運用條件下的堤防的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為[K]=1.25。從表2的計算數(shù)據(jù)信息，可以得到144+500堤防的穩(wěn)定不足，內(nèi)坡的安全系數(shù)與設(shè)計要求相差不大；143+050的多個工況下的內(nèi)坡的穩(wěn)定性與設(shè)計的規(guī)范的要求基本一致。

表2 現(xiàn)狀堤防穩(wěn)定計算成果表

然后對該堤防進行有限元受力分析，可以如圖4、5、6所示的邊坡應(yīng)力圖如圖4～圖6所示。

圖4 141+762斷面完建期塑性應(yīng)變云圖

圖5 143+050 斷面完建期塑性應(yīng)變云圖

圖6 144+500 斷面完建期塑性應(yīng)變云圖

從上述圖的塑性應(yīng)變圖形可以看出，該工程的應(yīng)力范圍為[194,260],塑性應(yīng)變的發(fā)生的部位位于每個斷面的堤坡的兩側(cè)處，該值的大小為[0.07,0.11],該結(jié)果的產(chǎn)生是多年的預(yù)壓而形成的，塑性區(qū)域范圍在嵌入堤坡比較小。深層滑動的問題的產(chǎn)生不會沒有發(fā)生貫穿性塑性應(yīng)變情況下產(chǎn)生。邊坡的主要的破壞形式主要包含了和坡腳沖刷型滑坡、座滑型滑動和淺層滑坡。

3 擋墻護堤結(jié)構(gòu)加固技術(shù)與方案

通過上述的分析，該工程的堤防安全性的提高措施采取如下方式：

3.1 標(biāo)準(zhǔn)斷面的堤身設(shè)計

根據(jù)不同的斷面加固的情況與規(guī)范設(shè)計要求，本文對斷面參數(shù)定義如下：8m的堤頂寬度，1∶3為內(nèi)外邊坡數(shù)值，當(dāng)小平臺在內(nèi)外坡堤腳處設(shè)計的情況下，設(shè)計外坡的比例為1∶5,5m為平臺寬度阿曉，1%為平臺頂排水坡度。

2.4.1 癥狀該病在食葵整個生育期間均可發(fā)病，被感染的病苗，子葉上產(chǎn)生褐色斑點，以后病斑上散生小黑點。隨著幼苗的生長，病葉從下部向上部發(fā)展。病株4對真葉以后，在底部葉片上先產(chǎn)生圓形黃色小斑點，病斑周圍有黃暈，斑心有小黑點，病斑相連以后，葉片局部或全葉干枯，病斑容易穿孔和破碎脫落。莖上和葉柄上被侵染，產(chǎn)生條形病斑。病斑中產(chǎn)生的黑色小點為無性繁殖—分生孢子器。以分生孢子器在病殘體種子中越冬。分生孢子隨風(fēng)雨傳播。

3.2 堤身加固設(shè)計

當(dāng)設(shè)計要求大于堤身斷面塌陷和堤頂高程情況下，必須對該堤壩進行加固整修，具體技術(shù)如下：

3.2.1 堤身加培整修方案

1)141+350～142+800該斷面處是裂縫和堤外塌坡產(chǎn)生比較嚴(yán)重位置處，該位置的總長度為1450m，該位置處具有碾壓不嚴(yán)實的外坡斜墻，造成了該堤壩產(chǎn)生膨脹性。可以對面層干砌塊石護坡和原斜墻削除約1m厚度大小，然后外坡按照標(biāo)準(zhǔn)斷面進行重新的填筑后，護坡采用混凝土預(yù)制塊完成。

2)142+800～144+900斷面沒有產(chǎn)生裂縫和不嚴(yán)重的堤外塌坡，該斷面的長度為2100m，外坡塌陷加倍，產(chǎn)生堤線彎曲，該處具有起伏不平整的堤坡。拆除塊石護坡以及外培斜墻的相關(guān)松散結(jié)構(gòu)，并進行重新填坡后達(dá)到規(guī)定指標(biāo)后，利用預(yù)制塊進行加固處理。

3)對于容易發(fā)生坍塌的堤防部位，該部位原因受到內(nèi)坡局部沖刷，采取填筑的方式對腳壓位置處進行處理后，挖掉滑動體，使得整個堤防內(nèi)坡進行重新的達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4)導(dǎo)滲排水溝進行重新設(shè)計后，滿足加固處理措施，采取內(nèi)坡平臺填筑方式來完成，避免堤防內(nèi)坡沿線散浸滲水嚴(yán)重。

141+762、143+050和 144+500的3個斷面位置容易放生塌陷的位置處進行外坡的整體加倍的修理的方式進行處理，同時新老結(jié)合面的腐殖質(zhì)層被清除后，新的黏土進行重新的填充后，完成碾壓達(dá)到規(guī)定要求，并保證具有1:3的內(nèi)外坡比例。黏性土在加培的土料應(yīng)用中得到采用，該土料的壓實度>92%。平臺頂橫向排水坡 1%，頂面中心高程 17.0m、平臺頂寬 5m的設(shè)定為了堤身高度的降低以及堤防邊坡穩(wěn)定性的增強。

導(dǎo)滲溝在樁號 138+250～144+900 堤段堤后背水坡腳處進行設(shè)計，該處位置設(shè)計如下所示：一條縱溝沿著堤壩側(cè)水坡位置進行開挖后，整體的邊坡 為1∶0.5，底寬 0.5m，溝深 0.6m，橫溝間距 50m。設(shè)置“Y”型貼坡反濾溝在堤內(nèi)坡距堤腳高2.2m位置處，橫溝及堤腳縱溝與其相溝通。在所有導(dǎo)滲溝處進行素愛是反過濾材料的定義，采用一定的土工布包碎石的方式來完成定義，漿砌石防沖保護設(shè)置于橫向排水溝出口位置處，附近洼地或溝渠內(nèi)位置處被以排水橫溝的方式來完成提拔的滲水處理。

141+762、143+050和 144+500的3個斷面位置進行塌陷問題處進行穩(wěn)壓平臺的設(shè)計。17m為該位置的中心高程，1∶100為平臺頂橫向坡比，原設(shè)計平臺與1∶5邊坡相互結(jié)合后，實現(xiàn)散浸嚴(yán)重排除以及壓滲作用。3.65km為設(shè)計的壓滲平臺總長度，17m為設(shè)計的壓滲平臺頂面中心。

表3為該外坡位置處的穩(wěn)定性計算結(jié)果，通過結(jié)果數(shù)據(jù)分析可以看出滿足本文工程技術(shù)要求。

表3 堤防穩(wěn)定性在平臺加固后的計算結(jié)果

應(yīng)力的分析結(jié)果圖如圖7～圖9所示。從數(shù)據(jù)分析的結(jié)果上可以得到，對于滑坡穩(wěn)定性不足的位置處進行平臺加固以及小平臺進行坡腳位置處進行增加后，使得本文的設(shè)計要求與計算出的穩(wěn)定性安全系數(shù)達(dá)到一致。

圖7 141+762斷面加平臺完建期塑性應(yīng)變云圖

圖8 143+050進行小平臺架設(shè)的塑形變形云圖

對整個滑坡進行坡腳位置處進行平臺的架設(shè)后，對每一種工況情形進行應(yīng)力的云圖分析后，每一個斷面的邊坡的應(yīng)力情況存在一定的不一致，整個塑形變形的區(qū)間從0.13變化到0.28 的范圍內(nèi)。在該種條件下，具備較弱的塑形變形區(qū)間，在坡腳位置處架設(shè)平臺后塑形變形顯著度更高，整個邊坡的安全性在平臺架設(shè)后得到加強。同時具備較小的深層應(yīng)力值大小，基本在百分零點五以下，過大的變位或者滑動在該種條件下不會產(chǎn)生。由 774kPa 增大為 785kPa是144+500 斷面深層應(yīng)力的變化趨勢，該變化基本不打，基本可以不予以考慮；713kPa增大為 716kPa是斷面143+050深層應(yīng)力變化區(qū)間；638kPa 增大為 640kPa是斷面編號為141+762的深層應(yīng)力值的變化趨勢。此種條件下，0.11m是整個堤壩的水平方向的位移大小。

4 結(jié) 語

堤防工程是一項系統(tǒng)化的工程，其中涉及到諸多復(fù)雜的施工技術(shù)，本文基于入?？诘谭赖脑O(shè)計，進行該工程的地質(zhì)分析以及選擇擋護結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的設(shè)計與分析，通過實驗驗證，該施工加固技術(shù)可靠，工程防洪能力好。在工程實踐中需要不斷的總結(jié)探索，進一步改進施工技術(shù)，為我國堤防工程的施工做出應(yīng)有的努力。

[1]潘廣良.堤防工程施工質(zhì)量控制探討[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013( 04) : 100.

[2]楊俊杰.堤防工程施工技術(shù)及質(zhì)量控制[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013( 01) : 103.

[3]崔龍珠.淺談堤防工程施工管理[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(01) : 107-108.

2016-08-13

趙延政(1980-)，男，山西忻州人，助理工程師。

1007-7596(2016)09-0113-04

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