趙延政

(山西省滹沱河坪上水利工程管理局，山西 五臺(tái) 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(tái) 034000)

堤防工程是我國(guó)社會(huì)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(guó)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(shí)例，進(jìn)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(guó)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(jī)制與分析模式，為堤防風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)與基礎(chǔ)。伴隨著長(zhǎng)達(dá)多年的經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與進(jìn)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(cái)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(hù)機(jī)制應(yīng)用在護(hù)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(gè)合理的堤防施工機(jī)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(duì)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(duì)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(duì)該地區(qū)3個(gè)斷面的數(shù)值分析，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)數(shù)值結(jié)果，提出相應(yīng)的加固措施與方法，實(shí)證表明該模型切實(shí)可行。

1 工程概況

堤防作為我國(guó)防洪工程體系的重要組成部分，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，形成了對(duì)施工機(jī)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(shí)面臨的最大難題是施工后河道的不均勻沉降問(wèn)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(shí)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(jìn)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(zhǎng)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(gè)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(gè)堤壩具有較差的抗剪強(qiáng)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(jìn)行筑堤是該工程考慮的重點(diǎn)內(nèi)容。該護(hù)岸設(shè)計(jì)按照20a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

河道土質(zhì)共分3個(gè)土質(zhì)層，7個(gè)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(gè)觀測(cè)面，每沉降觀測(cè)面設(shè)3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。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(guò)砂性層并滲出后，滑塌問(wèn)題會(huì)隨著產(chǎn)生，在此環(huán)境下必須進(jìn)行反過(guò)濾處理機(jī)制來(lái)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(xiàng)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(gè)斷面分別定義為141+762、143+050和 144+500，對(duì)上述的3個(gè)斷面進(jìn)行穩(wěn)定性的受力分析與模擬。在該工程的計(jì)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(jì)的程序軟件進(jìn)行分析與判定。

整個(gè)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(jì)算前提下，一分時(shí)段的方式來(lái)完成數(shù)值的模擬分析，得到了相關(guān)數(shù)值計(jì)算的圖形，包含了流速等值線與矢量圖、等勢(shì)線、滲流量數(shù)值等。浸潤(rùn)線可以作為堤防穩(wěn)定性判定的根據(jù)。

1)計(jì)算斷面的打開(kāi)，首先對(duì)計(jì)算段進(jìn)行確定后，將Slope 程序進(jìn)行啟動(dòng)完全后，AutoCAD接收到了斷面輸入的個(gè)人信息。

2)土層線的分層劃分，多義線被描繪出來(lái)后，來(lái)對(duì)不同圖層的分界線進(jìn)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(dòng)力學(xué)指標(biāo)，設(shè)計(jì)出合適的土層信息，定義土層數(shù)值信息，利用顏色來(lái)對(duì)每一個(gè)土層線進(jìn)行劃分。

4)浸潤(rùn)線信息輸入，在該軟件中將處于工程項(xiàng)目的浸潤(rùn)線進(jìn)行輸入與設(shè)置后，當(dāng)工程項(xiàng)目處于施工階段中，該計(jì)算過(guò)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(gè)浸潤(rùn)線情況。

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

6)信息的求解，選擇不同的計(jì)算模型與工況信息后，計(jì)算與處理相關(guān)信息，得到了該工程的對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)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(lái)。

141+762斷面、143+726斷面、144+762斷面的計(jì)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(shí)證分析

如表2所示，展示了該計(jì)算方法堤壩的穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果信息。根據(jù)堤防工程設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定[K]=1.15為非常運(yùn)用條件下的堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，相反正常運(yùn)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(jì)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(jì)要求相差不大；143+050的多個(gè)工況下的內(nèi)坡的穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)的規(guī)范的要求基本一致。

表2 現(xiàn)狀堤防穩(wěn)定計(jì)算成果表

然后對(duì)該堤防進(jìn)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?cè)茍D

圖5 143+050 斷面完建期塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖6 144+500 斷面完建期塑性應(yīng)變?cè)茍D

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(gè)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(dòng)的問(wèn)題的產(chǎn)生不會(huì)沒(méi)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(dòng)和淺層滑坡。

3 擋墻護(hù)堤結(jié)構(gòu)加固技術(shù)與方案

通過(guò)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(jì)

根據(jù)不同的斷面加固的情況與規(guī)范設(shè)計(jì)要求，本文對(duì)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(tái)在內(nèi)外坡堤腳處設(shè)計(jì)的情況下，設(shè)計(jì)外坡的比例為1∶5,5m為平臺(tái)寬度阿曉，1%為平臺(tái)頂排水坡度。

2.4.1 癥狀該病在食葵整個(gè)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(diǎn)，以后病斑上散生小黑點(diǎn)。隨著幼苗的生長(zhǎng)，病葉從下部向上部發(fā)展。病株4對(duì)真葉以后，在底部葉片上先產(chǎn)生圓形黃色小斑點(diǎn)，病斑周圍有黃暈，斑心有小黑點(diǎn)，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(diǎn)為無(wú)性繁殖—分生孢子器。以分生孢子器在病殘?bào)w種子中越冬。分生孢子隨風(fēng)雨傳播。

3.2 堤身加固設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)計(jì)要求大于堤身斷面塌陷和堤頂高程情況下，必須對(duì)該堤壩進(jìn)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(zhǎng)度為1450m，該位置處具有碾壓不嚴(yán)實(shí)的外坡斜墻，造成了該堤壩產(chǎn)生膨脹性?？梢詫?duì)面層干砌塊石護(hù)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(jìn)行重新的填筑后，護(hù)坡采用混凝土預(yù)制塊完成。

2)142+800～144+900斷面沒(méi)有產(chǎn)生裂縫和不嚴(yán)重的堤外塌坡，該斷面的長(zhǎng)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(hù)坡以及外培斜墻的相關(guān)松散結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行重新填坡后達(dá)到規(guī)定指標(biāo)后，利用預(yù)制塊進(jìn)行加固處理。

3)對(duì)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(duì)腳壓位置處進(jìn)行處理后，挖掉滑動(dòng)體，使得整個(gè)堤防內(nèi)坡進(jìn)行重新的達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4)導(dǎo)滲排水溝進(jìn)行重新設(shè)計(jì)后，滿足加固處理措施，采取內(nèi)坡平臺(tái)填筑方式來(lái)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(gè)斷面位置容易放生塌陷的位置處進(jìn)行外坡的整體加倍的修理的方式進(jìn)行處理，同時(shí)新老結(jié)合面的腐殖質(zhì)層被清除后，新的黏土進(jìn)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(shí)度>92%。平臺(tái)頂橫向排水坡 1%，頂面中心高程 17.0m、平臺(tái)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(qiáng)。

導(dǎo)滲溝在樁號(hào) 138+250～144+900 堤段堤后背水坡腳處進(jìn)行設(shè)計(jì)，該處位置設(shè)計(jì)如下所示：一條縱溝沿著堤壩側(cè)水坡位置進(jìn)行開(kāi)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(jìn)行素愛(ài)是反過(guò)濾材料的定義，采用一定的土工布包碎石的方式來(lái)完成定義，漿砌石防沖保護(hù)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(lái)完成提拔的滲水處理。

141+762、143+050和 144+500的3個(gè)斷面位置進(jìn)行塌陷問(wèn)題處進(jìn)行穩(wěn)壓平臺(tái)的設(shè)計(jì)。17m為該位置的中心高程，1∶100為平臺(tái)頂橫向坡比，原設(shè)計(jì)平臺(tái)與1∶5邊坡相互結(jié)合后，實(shí)現(xiàn)散浸嚴(yán)重排除以及壓滲作用。3.65km為設(shè)計(jì)的壓滲平臺(tái)總長(zhǎng)度，17m為設(shè)計(jì)的壓滲平臺(tái)頂面中心。

表3為該外坡位置處的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，通過(guò)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(tái)加固后的計(jì)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(duì)于滑坡穩(wěn)定性不足的位置處進(jìn)行平臺(tái)加固以及小平臺(tái)進(jìn)行坡腳位置處進(jìn)行增加后，使得本文的設(shè)計(jì)要求與計(jì)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(tái)完建期塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖8 143+050進(jìn)行小平臺(tái)架設(shè)的塑形變形云圖

對(duì)整個(gè)滑坡進(jìn)行坡腳位置處進(jìn)行平臺(tái)的架設(shè)后，對(duì)每一種工況情形進(jìn)行應(yīng)力的云圖分析后，每一個(gè)斷面的邊坡的應(yīng)力情況存在一定的不一致，整個(gè)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(tái)后塑形變形顯著度更高，整個(gè)邊坡的安全性在平臺(tái)架設(shè)后得到加強(qiáng)。同時(shí)具備較小的深層應(yīng)力值大小，基本在百分零點(diǎn)五以下，過(guò)大的變位或者滑動(dòng)在該種條件下不會(huì)產(chǎn)生。由 774kPa 增大為 785kPa是144+500 斷面深層應(yīng)力的變化趨勢(shì)，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(hào)為141+762的深層應(yīng)力值的變化趨勢(shì)。此種條件下，0.11m是整個(gè)堤壩的水平方向的位移大小。

4 結(jié) 語(yǔ)

堤防工程是一項(xiàng)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(jì)，進(jìn)行該工程的地質(zhì)分析以及選擇擋護(hù)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的設(shè)計(jì)與分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該施工加固技術(shù)可靠，工程防洪能力好。在工程實(shí)踐中需要不斷的總結(jié)探索，進(jìn)一步改進(jìn)施工技術(shù)，為我國(guó)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(guó)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

TV871.3

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