松干堤防加高培厚工程土工格柵加筋穩定性研究

楊永森，郭豐華，原曉軍，王遠明，邱流潮

(1. 中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083；2. 黑龍江省三江工程建設管理局，哈爾濱 150081)

0 引 言

我國早期建設的河道堤防由于防洪標準低，存在堤身斷面不足、防滲能力較差等問題，相比重建，堤防的加高培厚更加經濟、效率[1]，但由于新擴建堤防修建時間以及填筑土料與已建堤防不同等原因，加高培厚后的堤防往往容易發生沉降，使堤防產生裂縫、破損，影響堤防穩定安全，引起堤頂高程降低，防洪水平下降，進而引發滲漏、潰壩等災害。近年來，國家投入巨大的人力物力財力，提高堤防工程的防洪標準，堤防加高培厚方面已有不少工程實踐經驗，也提出了一些施工技術及方法。尤其是較為薄弱的新老堤防結合面，李昂等[2]提出了合適的開挖臺階的高寬比范圍以及下密上疏的臺階布置形式，使得新老堤防結合面的加固效果較好。劉志剛等[3]通過堆載預壓的方式減少了新老路基的差異沉降。王世琦[4]介紹了不同的堤防形式，如均勻堤形、復式堤形、防洪墻式堤形的加高培厚施工技術。谷春光等人[5]從土料控制、施工管理及施工質量控制等方面介紹了黃河下游的堤防工程加高培厚的經驗。魯有銘[6]提出采用低位真空預壓法加快軟弱地基固結，提高地基承載力，減小新老堤防的差異沉降。黃揚一[7]提出堤防加高培厚如果處理不當，會出現滲透比降增加、岸邊工程穩定性下降等問題，因此在施工過程中需要重視堤基的滲控處理。另外，趙婷等[8]、譚界雄等[9]以及張仲卿等[10]均結合實際工程對新老堤防加高培厚的結合面控制提出了相應的措施。

其中，土工格柵以價格低廉、施工簡便，施工周期短的特點，在不同領域處治不均勻沉降有了廣泛的使用，達到了不錯的效果。吳波等[11]、Juha Forshman等[12]、楊茂等[13]分析了高速公路改造擴建項目中土工格柵的作用，表明了土工格柵能夠有效地提高路堤的整體穩定性，減小新老路基的不協調變形；Huang等[14]對土工格柵加固堤防的效果進行了有限元分析，得出土工格柵能夠減小變形提高堤防穩定性的結論。在實際堤防加高培厚工程中，處治新老結合問題，大多采用臺階開挖和鋪設土工格柵共同使用[15]，同時配合施工中嚴格控制壓實度，能夠達到很不錯的效果。不僅增加新老堤防的接觸面積，提供側向約束，承擔豎向荷載產生的水平力，從而減小新老堤防之間的不均勻沉降。

雖然國內已實施了一些堤防、土石壩加高培厚工程，但在設計施工中大多倚重于工程經驗，而缺乏理論分析和系統化的加固措施和計算方法。公路工程中新老路基結合的相關研究較多，但公路路基不考慮防洪的要求，其工作條件、受力特點、填筑土質等均與堤防有較大差別，不能直接套用到新老堤防結合的問題上。因此對新老堤防結合問題仍需要深入研究，進而提出系統的設計方案和施工方法。

1 松干堤防加高培厚工程實例分析

1.1 工程概況

松花江干流第九標段新發新農堤，全長16.57 km，防洪標準為50年一遇，堤防級別為2級。新發新農堤對哈爾濱市區經濟的發展和人民生活安定有著至關重要的作用，且現存堤防不滿足目前防洪要求，提高堤防標準極為重要，因此，選取6+900作為典型斷面進行加高培厚穩定性及加筋的影響分析。

1.2 原始堤防的最經濟斷面

針對原始堤防的典型斷面(圖1)，原坡比為1∶3，不斷增大坡比，為后期斷面優化提供建議的同時，坡比增大開挖后的土還可以直接用于堤防的加高培厚工程。

圖1 松干堤防第九標段典型斷面(單位：m)Fig.1 The typical sections of the ninth section of the Songhuajiang main stream embankment

根據新發新農堤防保護對象的重要性，按照《防洪標準》[16](GB50201-2014)和《堤防工程設計規范》[17]，堤防工程設計防洪標準為50年一遇，堤防工程級別為2級，規范要求的安全系數最小為1.25。對典型斷面的坡比進行處理，直至安全系數值接近1.25。運用有限元法進行模擬，選取摩爾庫倫本構模型，材料參數如表1。

表1 土體的材料參數Tab.1 Material parameters of soil

從圖2可得出，隨著坡比的變大，安全系數在不斷下降，而且可以發現下降形式基本呈線性關系，表明坡比與安全系數成負相關關系。取原始堤防最經濟斷面的坡比為1∶1，安全系數為1.33，滿足規范要求，此時堤防截面面積從原來的121.5 m2減小為40.5 m2，僅為原來截面面積的33%。

圖2 不同坡比的堤防安全系數Fig.2 Safety factors of dikes of different gradients

1.3 開挖臺階高度對堤防穩定性影響

根據《堤防工程設計規范》[17]要求，土質堤防進行加高培厚時需要進行開挖臺階的處理，結合規范要求，分析開挖相同高寬比的臺階的情況下，高度對堤防穩定性的影響。根據工程實際情況，加高2 m，背水坡培厚2 m的工況下進行開挖處理。h表示開挖臺階的高度，H為堤防的原始高度。

圖3 不同開挖臺階高度的堤防安全系數Fig.3 Safety factors of embankments of different bench excavations

在計算中用到了ABAQUS中的生死單元功能[18]進行臺階開挖的模擬。由圖3可以得出，在相同加高培厚的情況下，開挖相同的高寬比臺階，開挖臺階的高度越大，安全系數越大，越有利于加高培厚堤防穩定性的提升。

1.4 加高高度對堤防穩定性影響

在原堤防的基礎上進行加高處理，加高示意如圖4，培厚2 m，保持原來的坡比不變，從加高0.4 m開始逐層進行增加加高高度，直至2 m，臺階按照原坡度等比例開挖。h0表示加高高度，H為原堤防高度。

圖4 堤防加高示意圖(單位：m)Fig.4 Schematic diagram of the hightening embankment

由圖5得出，堤防的高度對穩定性的影響較大，堤防高度加高高度為原來的22%時，安全系數下降了0.48。若保持原來的寬度不變，隨著堤頂的不斷加高，滑移面會貫穿整個堤頂，所以在實際的工程中在遵循堤防施工技術規范的基礎上，同時考慮擴寬堤防堤頂寬度，以防止滑裂面貫穿造成的巨大損失。

圖5 不同加高高度的堤防安全系數Fig.5 Safety factors of different heightening embankments

1.5 培厚厚度對堤防穩定性的影響

堤防培厚如圖6所示，為了防止加高的高度比較大，造成培厚時堤頂寬度不夠，故堤頂加高0.4 m，培厚值依次是0.4、0.8、1.2、1.6、2 m，臺階按照h/H=0.2進行開挖。

圖6 堤防培厚示意圖(單位：m)Fig.6 Schematic diagram of the thickening embankment

圖7 不同培厚值的安全系數Fig.7 Safety factors of different thickening embankments

由圖7可得，保持原來堤防坡度不變，培厚值的變化對堤防安全系數的影響很小，培厚厚度從0.4 m增加至1.6 m，安全系數幾乎不變，培厚值增加至2.0 m，安全系數才有了較大的增加，培厚厚度從0.4 m增加至1.6 m，只增加了約0.06，培厚對堤防的整體穩定性的影響不是很大，但在實際工程中也不可或缺，可以擴大堤防斷面，提高防洪標準。在下一步設置最優經濟斷面時，培厚厚度只需滿足堤防設計規范要求即可，不必過大的培厚，以減少土方的用量。

1.6 加筋對堤防穩定性的影響

對堤防進行開挖，并在臺階上加筋，分析加筋對堤防穩定性的影響。采用土工格柵進行加筋處理，其彈性模量為38.7 GPa，泊松比0.33，筋材厚度為5 mm。加筋位置如圖8所示，以臺階高度為h/H=0.2為例，每個臺階都鋪設筋材，除第一層筋材貫穿整個堤防外，其他層筋材均為左端至臺階角處，右端到達堤防坡面。

圖8 加筋示意圖(單位：m)Fig.8 Schematic diagram of reinforcement

由表2得出，加筋后的安全系數有了較大的提升，最高達到37%(h/H=0.11臺階)，單純的開挖臺階對安全系數的提升十分有限，但通過加筋的方式可有效地提高安全系數。并且滑裂面的位置由于筋材的束縛作用也發生了變化，向左發生了移動，如圖9所示，滑裂圓弧接近筋材的最左側。

表2 加筋后的安全系數Tab.2 Safety factors of reinforcement embankments

圖9 h/H=0.16時的滑裂面Fig.9 Slip surface of the embankments of h/H=0.16

考慮傾斜加筋對穩定性的影響，同水平加筋一樣，依然選取h/H=0.2的臺階，筋材最右端延伸至堤防的坡面，每個臺階筋材取8 m，傾斜角度為筋材與水平面之間的角度，如圖10所示。

圖10 傾斜加筋示意圖(單位：m)Fig.10 Schematic diagram of inclined reinforcement

水平加筋時(h/H=0.2臺階)第一層筋的長度為14.32 m，貫穿了整個堤防，其他層為11.72 m，而傾斜加筋第一層筋的長度為8 m，安全系數由3.14降至了2.71。由圖11可得，傾斜加筋可提高堤防安全系數，傾角15°左右時安全系數最高，但超過30°后傾斜加筋效果不如水平加筋，這與文獻[19]中加筋土三軸模型實驗結果趨勢吻合。在實際工程中傾斜加筋可以采用，但要采用合理的傾斜角度，才能達到較好的加筋效果。

圖11 不同傾斜角度加筋的安全系數Fig.11 Safety factors of different inclined reinforcement embankments

1.7 加高培厚堤防優化方案

基于以上對削坡、開挖臺階、加筋對堤防穩定性影響的分析，總結了以下幾個原則，用于加高培厚斷面優化。

(1)滿足《堤防工程施工規范》(SL260-2014)[20]要求，主要滿足規范要求的加高值、安全系數值、堤防寬度等，最大程度減少用地面積與土方使用量。

(2)開挖臺階高度越大、安全系數越高。加筋條數越多，安全系數越高。培厚厚度對穩定性影響很小，即堤防寬度滿足基本需要即可，加高高度對堤防穩定性影響較大。

(3)加筋傾斜角度較小時可以一定程度上提高穩定性，并且筋材嵌入老堤的長度盡可能的長。

結合以上原則提出松干堤防加高培厚工程優化方案，以供其他工程參考，如下。

(1)對原始堤防斷面進行優化，第一步進行削坡處理，將原始邊坡削至1∶1，削坡的土方用于加高培厚工程。

(2)計算削坡后的單位長度產生的土方量，進行加高培厚，選取規范中的堤防最大加高值1.5 m進行加高。

(3)限制培厚厚度，該工程是2級工程，規范要求堤防寬度不能小于6 m，根據堤防寬度選擇培厚厚度。

(4)開挖臺階數目選用9個，h/H=0.11，并在每個臺階上進行加筋處理。

原始堤防最經濟斷面安全系數為1.33，經過坡度不變加高1.5 m后，穩定性大幅度下降，安全系數降至1.08，已不滿足二級堤防的穩定性要求，加筋處理后安全系數提升至1.63，提升效率達到近60%，加筋的效果十分明顯。基于提出的加高培厚堤防的優化方案，經過加筋處理后，堤防坡比優化為1∶1.37，安全系數從1.08提升至1.63，土地使用面積減小了36.9%，單位長度(1 m)加高培厚工程所需土方量減少約20 m3。

2 加筋堤防固結沉降分析

基于以上提出的優化后堤防斷面進行固結沉降分析，為了進一步計算加筋效率的問題，對優化斷面開挖四個臺階(h/H=0.25)的方式。筋材(6.25 m)的鋪設左邊頂到開挖臺階的直角處，右邊到培厚坡面邊緣，如圖12所示。

圖12 優化加筋堤防示意圖(單位：m)Fig.12 Schematic diagram of the optimized embankment

有限元模型基本假設如下。

(1)假定土體包括堤身土、地基土，均為理想彈塑性體[21]。

(2)土工格柵(筋材)均按線彈性[22]，力學指標為彈性模量和泊松比。

(3)邊界條件地基底面為水平和豎直兩個方向約束，地基兩側水平方向約束。

2.1 開挖及加筋對沉降的影響

針對開挖加筋，設置開挖加筋、開挖不加筋、不開挖加筋、不開挖不加筋4種工況進行計算。圖13為開挖加筋工況的沉降云圖，開挖加筋可以有效的減少新堤整體的沉降值，僅開挖臺階也可以減小最大沉降值。

圖13 開挖加筋云圖Fig.13 Nephogram graph of embankment of excavation and reinforcement

由圖14可得，開挖加筋可在一定程度上減小堤防的側向位移圖，同樣僅開挖對側向位移的影響較小，配合加筋可以更有效的減小側向位移。由圖15可得，開挖加筋、不開挖加筋、開挖不加筋、不開挖不加筋四種工況的沉降值分別為12.45、12.89、14.54、15.06 cm，相對于不開挖不加筋前三種分別可以減少沉降17.33%、14.4%、3.45%，可以看到開挖及加筋都減少沉降，但是加筋的作用比開挖臺階更強，開挖和加筋共同作用效果最好。

圖14 不同開挖加筋形式的堤頂側向位移Fig.14 Lateral displacement of embankment with different excavation and reinforcement forms.

圖15 不同開挖加筋形式的堤頂沉降Fig.15 Settlement of embankment with different excavation and reinforcement forms

2.2 筋材不同鋪設層位的效果分析

鋪設土工格柵可分為鋪設1層、鋪設2層、鋪設3層及全鋪(鋪設4層)4種情況；對于不同的鋪設層數，又分別有鋪設位置的不同。因此，需要對這幾種情況進行分析，確定鋪設的最佳位置。基底定為第4層、由上向下臺階分別為第1、2、3、4層。

對于鋪設1層土工格柵選擇四種鋪設組合,分別為第1、2、3與第4層鋪設；對于鋪設2層土工格柵，有6種鋪設組合，分別為第1和2層、第1和3層、第1和4層、第2和3層、第2和4層、第3和4層；鋪設3層土工格柵，選擇3種鋪設組合，分別為第1和2和3層、第2和3和4層、第1和3和4層；鋪設4層土工格柵，只有一種情況，為4層全鋪設。

2.2.1 鋪設一層筋

從圖16可得，鋪設1層筋材時在一定程度上也能減小沉降值，從鋪設層位1到4，最大沉降值分別為14.27、14.08、13.92、13.59 cm，相對于開挖不加筋的最大14.54 cm，分別減小了1.86%、3.16%、4.26%、6.53%。故筋材鋪設于越下層，則新老堤防差異沉降越小。

圖16 鋪設一層筋的堤頂沉降Fig.16 Settlement of the one-floor reinforced embankment

當鋪設于最底層時差異沉降相比無筋材時，減少的幅度最大，即基底筋材的鋪設對減小堤防的差異沉降有較好的作用，而鋪設于較上層對降低差異沉降的貢獻并不大。土工格柵通過與堤防填土的摩擦作用，承受了堤防內部拉力，使堤防荷載均勻化，減小了不均勻沉降，約束了堤防的水平變形，同時使得堤防的整體性加強。

2.2.2 鋪設兩層及三層筋時

鋪設兩層筋材時，堤防頂面沉降較無筋材時有明顯的減小，鋪設在第1、2層時的最大沉降為13.8 cm，鋪設在第1、3層時的最大沉降為13.7 cm，鋪設在第1、4層時的最大沉降為13.65 cm，鋪設在第2、3層時的最大沉降為13.6 cm，鋪設在第2、4層時的最大沉降為13.4 cm，鋪設在第3、4層時的最大沉降為13.16 cm；鋪設在第3層和第4層時效果最好，其次為鋪設在第2層和第4層，而鋪設在堤防上部的效果要差一些。相比無筋鋪設，鋪設在第3、4層時的最大沉降由14.54 cm減小到13.16 cm，減小了8.96%。

鋪設3層筋材時，堤防頂面最大沉降減小幅度比鋪設1層和兩層的明顯。其中，鋪設在堤防第2、3、4層的效果最好，堤防頂面最大差異沉降由無筋時的14.54 cm減小到12.58 cm，減小了13.48%；鋪設在堤防第1、2、3層的效果較差，最大沉降為12.8 cm，相比無筋減小了11.97%；而鋪設在堤防第1、3、4層的最大沉降為12.7 cm，相比無筋減小了12.65%。

2.2.3 鋪設不同層位時的工況分析

由2.2.1和2.2.2節可知，加筋層數和位置對加筋的效果有一定影響，對比分析不同層數加筋中對堤防沉降影響最大的鋪設方式，分別為鋪設第4層，鋪設第3、4層，鋪設第2、3、4層，四層全鋪設，如圖17所示。

圖17 鋪設不同層位筋材時的堤防頂面沉降Fig.17 Settlement of the two-floors reinforced embankment

加筋位置越靠近堤防底部，降低堤防最大沉降的效果越明顯。加筋層數多比加筋層數少效果明顯，加筋1層、2層、3層、4層時比不加筋時堤防頂面沉降分別降低了6.53%、9.49%、13.48%和14.37%。說明開挖并加筋能明顯降低堤防的差異沉降，要比只開挖臺階不加筋效果要好，能夠很好的提高堤防的整體穩定性。但鋪設4層僅比鋪設3層的，提高了1.11%，提升效果不是很明顯，在實際工程應用中，應綜合考慮經濟及工程效益，合理選擇加筋處治方案。

3 結 語

本文針對加高培厚后的堤防的安全性及沉降問題，研究了不同開挖和加筋形式對堤防穩定性和沉降的影響，主要有以下結論。

(1)取松花江干流第九標段樁號6+900處典型斷面，對其進行優化處理。經過加筋處理后，堤防坡比優化為1∶1.37，安全系數從1.08提升至1.63，土地使用面積減小了36.9%，單位長度(1 m)加高培厚工程所需土方量減少約20 m3。

(2)經過綜合分析堤防坡比、加高高度、培厚厚度、開挖臺階的高度、不同的加筋方式等多種因素對穩定性的影響，結合堤防技術規范，兼顧保安全及經濟效益的基礎上，提出了堤防加高培厚的優化處理方法，為防治加高培厚工程中的新老堤防結合面病害的處治提供了系統的技術方案。

(3)基于優化后的堤防，分析了加筋堤防的固結沉降，提出了適合工程使用的加筋方案。加筋堤防可以有效的減小不均勻沉降，提高堤防的整體穩定性。加筋位置越靠近堤防底部，減小堤防差異沉降的效果越明顯。加筋層數多的比加筋層數少的效果明顯，但在實際工程應用中，應綜合考慮經濟及工程效益，合理選擇加筋處治方案。