謝麗洪

(豐城市河道堤防管理局，江西 宜春 331100)

1 項目概況

羅湖堤的圩堤起始端位于泥塘水庫，總長度為8.838 km。作為豐城市的重要堤防，羅湖堤的保護面積約為21 km2，可為0.17萬hm2耕地、2.23萬人提供保護。在經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的背景下，社會對防洪保安所提出要求較過去有所提高，為保證堤防對經(jīng)濟發(fā)展所具有作用得到充分發(fā)揮，豐城市計劃對羅湖堤進行除險加固。

鑒于地層巖性所存在差異可知，本項目的堤基結(jié)構(gòu)是雙層結(jié)構(gòu)，堤基下部以砂卵礫石、細砂為主，透水性極強，一旦河水位超過堤區(qū)的地面高度，河水便能夠通過砂性土滲入堤內(nèi)，隨著滲透壓力的增加，堤基有較大概率出現(xiàn)滲透變形情況，若細砂層破壞程度超出預(yù)期，堤基所存在安全問題的嚴重程度將有所加劇，這表明本項目堤基極易出現(xiàn)滲透問題。

2 固結(jié)沉降預(yù)測理論及方法

2.1 計算理論

固結(jié)是指在外力作用影響下松軟土壤出現(xiàn)壓縮和去水情況，進而使自身密實度得到提高的過程，而沉降所描述對象通常為地基，即：受建筑物荷重影響，導(dǎo)致地基出現(xiàn)豎向變形。固結(jié)沉降可以簡單地理解為接近飽和土或飽和土受基礎(chǔ)荷載所施加作用力影響，導(dǎo)致孔隙水壓力逐漸消散、骨架變形，進而出現(xiàn)的沉降情況。由此可見，固結(jié)沉降速度往往由孔隙水被排出的速度所決定。

本項目計劃以多孔介質(zhì)模型為依托，利用MATLAB軟件對孔隙水壓力逐步消散以及堤基固結(jié)沉降的過程進行模擬，該模型的微分控制方程如式(1)：

(1)

(2)

式中：k為多孔介質(zhì)所對應(yīng)滲透矩陣；εi i為多孔介質(zhì)所對應(yīng)骨架體積實際應(yīng)變；n為土體孔隙率；Kf為流體當前體積模量。

2.2 計算方法

對羅湖堤土方進行加載計算時，研究人員計劃借助單元生死對填筑堤身的速度加以控制，假設(shè)在土方加載過程中，堤身填筑始終處于均勻上升狀態(tài)，仿真計算的全周期定為50年，對土方加載期進行計算的步長定為1 d。待土方加載作業(yè)告一段落，受堤身自重影響，其沉降速度將呈現(xiàn)出逐漸減緩的趨勢，此時，為保證計算資源得到充分利用，可酌情加大步長，以此來達到對沉降速度進行有效控制的目的[1]。

受長期重力作用影響，堤基沉降已趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，鑒于此，為保證仿真計算所得結(jié)果具有實際意義，應(yīng)選擇先通過計算地應(yīng)力平衡的方式，將初始沉降給堤基所產(chǎn)生影響完全消除，再對土方加載過程中，孔隙水壓力和堤身填筑壓力進行計算。將堤身表面作為本項目的排水邊界，在堤基的底邊和兩側(cè)對不排水邊界進行設(shè)置，借助迭代計算方法完成后續(xù)計算。

3 建模并選取預(yù)測仿真參數(shù)

3.1 建立模型

對堤基進行取值的范圍是上游100 m～下游100 m，實地勘探結(jié)果表明，堤基深度在60 m左右。研究人員決定在堤頂左側(cè)對坐標原點進行設(shè)置，將模型所包含單元組數(shù)量設(shè)定為5個、單元數(shù)量設(shè)定為3580個、單元節(jié)點數(shù)量設(shè)定為3710個。滲流計算分區(qū)如圖1所示。

圖1 滲流計算分區(qū)

3.2 選取參數(shù)

3.2.1 滲漏情況

對于曾出現(xiàn)滲漏險情、堤基有淤泥軟弱夾層且存在滑動可能性的堤段，應(yīng)分別在臨湖堤、臨河堤對代表段進行選擇，羅湖堤滲漏險段情況如表1所示。對于莼湖堤、河堤且圩堤長度在10 km以上的圩堤，通常需要對2個代表段進行布置，10 km 以內(nèi)圩堤只需對1個代表段進行布置。各代表段所布置觀測斷面數(shù)量以2～3個為宜，同時，各斷面需對3個位移標點進行布設(shè)，在穩(wěn)定區(qū)域?qū)λ疁驶c、起測基點進行設(shè)置，上述基點的數(shù)量均為1個[2]。鑒于此，最終決定將本項目的代表性斷面設(shè)為1+000、3+000、5+500，在上述代表性斷面對6個觀測基點和9個位移標點進行設(shè)置。

表1 羅湖堤滲漏險段情況

堤身填土的獲取途徑為堤外地表及堤內(nèi)地表，0+000～1+450段堤身單薄且低矮，汛期較易出現(xiàn)漫頂及漏水問題，在防洪方面的表現(xiàn)難以達到預(yù)期。1+450～7+750段堤身土質(zhì)不均且整體質(zhì)量較差，局部有泥質(zhì)夾層存在，整體填筑質(zhì)量未能達到預(yù)期，堤身土多為粉砂土，但經(jīng)過數(shù)年的固結(jié)運行，其穩(wěn)定性較運行初期有顯著改善。7+500～8+838段堤身的填筑質(zhì)量及土質(zhì)一般，粉質(zhì)黏土占比較大，研究表明，該堤段的透水性微弱，在防滲性方面的表現(xiàn)較其他堤段更為突出。

3.2.2 確定參數(shù)

對土層力學參數(shù)進行選取的原則如下：

(1)在確定天然狀態(tài)相關(guān)指標時，可根據(jù)算術(shù)平均值，對孔隙、含水量和飽和度等指標進行取值。

(2)在確定力學指標時，內(nèi)摩擦角及凝聚力的取值應(yīng)為統(tǒng)計小值的平均數(shù)。壓縮系數(shù)的取值應(yīng)為統(tǒng)計大值的平均數(shù)。

(3)在確定堤基滲透系數(shù)時，以鉆孔注水試驗、土工試驗、現(xiàn)場土體土芯相關(guān)數(shù)值為依據(jù)，保證所確定滲透系數(shù)符合實際情況。

(4)在確定土層滲透比降指標時，應(yīng)將有關(guān)部門針對水利水電工程所出臺地質(zhì)勘察規(guī)范作為主要依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場土層所表現(xiàn)出特點，通過計算的方式得出相應(yīng)結(jié)論。對本項目而言，粉質(zhì)黏土對應(yīng)滲透變形類型是流土型，粗砂層所對應(yīng)類型則是管涌型。

(5)在確定土體力學指標時，若統(tǒng)計組數(shù)量達到6組以上，有效統(tǒng)計組數(shù)和整體組數(shù)大致相同，可利用上文所提到選取力學指標的方法加以確定，如果統(tǒng)計組數(shù)量未達到6組或有效統(tǒng)計組數(shù)、整體組數(shù)間存在明顯差異，則要求以現(xiàn)場情況為依據(jù)，參考現(xiàn)有資料，以工程類比為依據(jù)對相關(guān)數(shù)值加以確定。

(6)在確定巖土力學指標時，將土工試驗所得結(jié)果作為主要依據(jù)，綜合考慮動力觸探試驗及標貫試驗所得結(jié)果，通過類比分析的方式，得出最終結(jié)論[3]。

以現(xiàn)場勘探所掌握信息為依據(jù)，可將羅湖堤的堤基土分為粗粒土、內(nèi)巖土、特殊土及黏性土，整體結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)，其中，局部區(qū)域為單一結(jié)構(gòu)。在堤基上部均勻分布著壤土和黏土，具有良好的連續(xù)性以及力學性質(zhì)，可作為堤基持力層而存在，同時滿足社會對堤防荷載所提出要求。局部區(qū)域存在淤泥黏土，在荷載固結(jié)的影響下，通常不會出現(xiàn)沉降變形可能，本項目堤基土層參數(shù)如表2。

表2 羅湖堤巖土層參數(shù)建議值

本項目對堤基進行加固的方法為加設(shè)排水板，排水板材質(zhì)為塑料，長度為20 m，相鄰排水板的間隔為1.4 m，其作用主要是對土體排水距離進行縮短，通過加快排水速度的方式，使堤基得到固結(jié)，在土體滲漏系數(shù)增加的情況下，該方法同樣能夠起到加速排水和固結(jié)的效果。隨后，基于固結(jié)度等效原理展開分析，先確定等效滲透系數(shù)，再對加固堤基進行簡化，得到具有較大滲透系數(shù)的天然堤基數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)數(shù)值進行仿真計算并得出最終結(jié)果。

4 固結(jié)沉降仿真結(jié)果討論

4.1 堤基沉降分析

對本項目堤身進行土方加載的時間共18個月，在此期間堤身土方均處于勻速填筑上升狀態(tài)，堤頂中心線和建基面相交區(qū)域的沉降情況較為典型，在堤身填筑結(jié)束后的50年內(nèi)，對本項目固結(jié)沉降狀況進行描述的如圖2所示。

圖2 地基固結(jié)沉降云

在加載結(jié)束的第1年、第5年、第10年和第50年，分別對堤基典型點進行研究，由此來獲取相應(yīng)固結(jié)沉降值，具體結(jié)果如表3。

表3 各典型點沉降程度 m

由鉆孔所揭露結(jié)果可知，本項目沿線堤基土層無軟弱夾層存在，土工試驗結(jié)果表明，本項目堤基土層以細砂、砂卵礫石和粉質(zhì)黏土為主，上述土層埋藏深度較深，經(jīng)數(shù)年荷載壓實已達到固結(jié)水準，其力學性能改善明顯，由此可得出“除特殊情況外，堤基均無沉降變形問題存在”的結(jié)論。而仿真計算結(jié)果表明，堤頂中心線和建基面相交區(qū)域的堤基，其沉降程度較其他區(qū)域堤基更大，沉降速度遵循先快后慢的規(guī)律，中間部位變形速度較兩側(cè)更大，待土方加載環(huán)節(jié)告一段落，該典型點的殘余變形在0.14 m左右，約為沉降總值的7%，加載結(jié)束的第10年，羅湖堤的堤基沉降能夠達到約100%，表明沉降和固結(jié)排水均已完成，此時，堤基狀況較初期更加穩(wěn)定[4]。

4.2 固結(jié)沉降數(shù)值對比

結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測所掌握數(shù)據(jù)可知，利用本文所采取方法進行仿真計算所得固結(jié)沉降數(shù)值及發(fā)展規(guī)律，基本與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相同，在固結(jié)沉降期間采取不同方法所獲得數(shù)值無明顯差異，具有較高的吻合度。由此可見，以仿真計算所得數(shù)值為依據(jù)，對堤基固結(jié)沉降進行預(yù)測，其結(jié)果具有實際意義。

4.3 防止?jié)B透破壞方法

對本項目而言，要想杜絕滲漏情況發(fā)生，施工人員可采取以下方法：一是水平壓蓋。該方法強調(diào)通過延長滲徑的方式，使?jié)B透出逸坡降得到有力控制，在具體施工中，要求施工人員以實際情況為依據(jù)，結(jié)合滲流計算結(jié)果判斷導(dǎo)致滲透破壞及相關(guān)問題出現(xiàn)的原因。本項目出現(xiàn)上述問題的原因，主要是堤外及堤內(nèi)所分布取土坑和水塘，導(dǎo)致堤基黏性土所具有完整性被破壞，滲透破壞隨之出現(xiàn)，一旦外河水位在汛期大幅提高，便會誘發(fā)流土及管涌險情。出于對滲徑進行延長、使?jié)B透出逸坡降得到顯著降低的考慮，結(jié)合所積累經(jīng)驗提出對背水側(cè)進行水平壓蓋的建議，此舉既能夠取得良好的防滲效果，又可使內(nèi)坡穩(wěn)定性及抗滑性得到顯著提升。但要明確一點，該方法僅能解決局部區(qū)域出現(xiàn)的滲透問題，而無法使地下水壓力得到控制，對于透水性極強或地質(zhì)條件不理想的堤段而言，該方法所能取得效果十分有限。二是排滲減壓。在堤內(nèi)適當區(qū)域?qū)p壓排水溝或減壓井進行修建，保證基礎(chǔ)承壓水可通過減壓排水溝或減壓井排出，隨著基礎(chǔ)承壓水頭得到降低，滲透破壞問題自然迎刃而解。該方法的優(yōu)點是施工簡單且成本低廉，但后期需要投入較多精力進行維護，要求工作人員定期更換排水反濾，以免由于排水反濾阻塞，導(dǎo)致減壓排水溝或減壓井無法正常運行。

5 結(jié) 論

本文以多孔介質(zhì)模型為基礎(chǔ)，針對堤基、圩堤所存在相互作用，對相應(yīng)的有限模型進行了建立。重點考慮土體變形受孔隙水壓力影響，通過新增排水帶的方式，對孔隙水壓力的消散過程進行模擬，保證堤基固結(jié)沉降所遵循規(guī)律可得到直觀展示。分析堤防檢測器所提供固結(jié)沉降數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，得出“利用仿真計算結(jié)果預(yù)測固結(jié)沉降的準確度可達到行業(yè)要求”的結(jié)論，表明本文所得研究成果可為類似項目的施工和運行提供參考。