均質土圍堰安全穩定計算分析

黃春霞

（江西省南昌縣象湖聯圩管理站，江西 南昌 330025）

0 引言

以某水利工程為例，該工程全長91.95 km。工程主要建設內容有河道拓挖、直立擋墻加斜坡及灌注排樁，其中河道拓挖全長2.8 km，邊坡比1∶3，河底設計高程-3.0 m，底寬30 m；直立擋墻加斜坡全長2.569 km，擋墻高程0.5 m～2.6 m，斜坡高程-0.5 m～0.5 m；灌注排樁直徑1.2 m，全長31 m，墻頂高程1.9 m。對工程現場環境及其土質圍堰利用ANSYS 有限元軟件與svoffice 巖土軟件構建整體模型，對土圍堰的基底抗滑穩定性、整體穩定性、圍堰變形與應力、圍堰滲流及高度演算進行分析，探討均質土圍堰在高水位條件下的安全穩定性。

1 工程概況

本標段施工截流圍堰填筑區域位于各支河、溝口處，樁號為15+800、18+270，圍堰背水側邊坡1∶4、臨水側邊坡 1∶3，地下水水位為2.0 m，防洪設計水位2.87 m，堰頂高程4.0 m，并在背水側設置寬2.5 m 的平臺。施工方法為進占法，施工機械為160 型推土機配合220 型挖掘機，根據工程地質報告要求選擇圍堰填筑材料，圍堰斷面形式見圖1。

圖1 土質圍堰斷面形式

2 計算分析

為保證均質土圍堰在高水位狀態下的安全穩定性，可從如下幾方面分析體系的整體性能，即圍堰的變形、高度、整體穩定性、基底抗滑性是否滿足規范要求，圍堰是否發生滲流破壞。采用svoffice 二維巖土軟件建模分析圍巖的整體穩定性與滲流作用，利用ANSYS 三維有限元軟件分析圍巖基底穩定性及其應變、應力狀態[1～4]。

2.1 圍堰高度驗算

依據堤防工程設計規范確定本研究均質土圍堰堤頂高程[5]，其計算表達式如下：

式中：R、Y 分別代表設計波浪爬高與土圍堰高度；A、e 分別代表安全加高及設計風雍水面高度，其中A 值為0.5 m。

若土質圍堰斜坡率滿足條件hm/L≥0.025 且m＜1.0，則波浪爬高R 的計算公式為：

式中：KΔ，Kv，Kp，Ko分別為規范規定的計算系數；hm為波浪平均高度。

根據土石壩設計規范和堤防工程設計標準確定波浪平均高度，計算方法如下：

式中：hm為平均波高，m；V 為計算風速，1.5×16(多年平均最大風速)＝24 m/s；F 為由計算點逆風向量到對岸的距離，35 m；d為水域平均水深，4.87 m；g 為重力加速度，取9.81 m/s2。

根據上述計算參數和基本方法確定風雍水高度為0.05 m、波浪爬高為1.25 m。然后對圍堰高度按照設計規范進行驗證，計算得到Y=1.25+0.05+0.5=1.80 m。圍堰頂最低標高為Y=2.87+1.80=4.67＞3.5 m，因此按照此方法確定的圍堰高度不夠。然后對圍堰平均浪高按照圍堰導流設計導則與圍堰設計相關的規范進行驗證，Y=2.87+0.46+0.5=3.83＞3.5 m，在10 年一遇浪高下圍堰頂最低標高為H=2.87+0.75+0.5=4.11＞3.6 m。綜上所述，均質土圍堰在上述兩種條件下的高程均不滿足條件要求，故均質土圍堰高度在豐水期風浪作用下不滿足安全要求，應制定相應的應急預案并采取防浪措施。

2.2 圍堰滲流穩定分析

在建設項目施工期間，地下水高程為+2 m，因此在對地連墻分析過程中設定地下水初始水位為+2 m。結合地質勘測報告和有關資料，淤泥質土層具有較低的滲透系數，因此可認為隨著短期水位的升降，淤泥質土中的地下水位保持相同的變化趨勢，地面水在洪水期內按照常水頭的形式作用在迎水側與地表。

汛期洪水最高水位的持續時間較短，土圍堰浸潤線發展規律選擇為100 d 結合圍堰現場土工試驗報告和地質勘測相關資料，確定淤泥質黏土、土圍堰填土的飽和滲透系數分別為5.0×10-5cm/s、5.28×10-5cm/s。浸潤線在洪水位期間不會達到背水面，從而不能形成穩態的滲流作用。在保證土圍堰合理護面和不出現土體顆粒流失的條件下，土圍堰不存在滲流破壞作用。

2.3 圍堰整體抗滑穩定性分析

根據土圍堰滲透性較低的實際情況，考慮將土工布設置在圍堰迎水面，另外結合河道洪水期一般低于100 d 可不考慮滲流對圍堰的影響，因此對整體抗滑穩定性可利用飽和抗剪總應力來反映。

土圍堰覆蓋層地基及堰坡的抗滑穩定性根據堤防工程設計規范，采用剛體極限平衡單一安全系數法確定，利用簡化畢肖普法或瑞典圓弧法確定抗滑穩定時，根據表1 中非正常運行條件Ⅰ的相關規定確定土圍堰的邊坡安全穩定系數[6]。水位驟降期的臨水邊坡及施工期設計洪水位的臨、背水邊坡，為模型計算分析的主要內容。

表1 不同計算方法下的抗滑穩定系數表

工況1：完成均質土圍堰施工時的地下水位高程為+20 m。工況2：選擇最高洪水位+31.50 m 作為地面上洪水位，波浪力與靜水壓力為作用于迎水面的主要荷載，擋水土工布在迎水面的抗滲透性較好。波浪力垂直作用于坡面上，大小為20 kPa。一般情況下，在施工過程中臨時堆載較為常見，為提高計算結果的準確性與可靠性，在模型運算過程中假定施工堆載為10 kPa。工況3：均質土圍堰在水位降低的情況下保持穩定。根據文中所述計算方法和參數值，確定不同工況條件下的土圍堰最小安全系數見表2。

表2 3 種不同工況下土圍堰最小安全系數值

根據土圍堰在不同工況條件下的穩定性分析結果，背水面洪水期安全系數較低，邊坡安全系數能夠達到標準規范設計要求，而在洪水迅速下降過程中的安全穩定系數有最小值，因此施工堆載可在一定程度上提高圍堰的穩定性。

2.4 圍堰變形與應力計算

按照5 級標準分析均質土圍堰變形與應力狀態，結合非飽和土二維滲流計算報告確定該圍堰的滲透系數較小，將土工擋水布設置在迎水面并設定洪水期在100 d 以內，在模型運算過程中不考慮滲流作用，土圍堰與地基上作用洪水靜水壓力，應力與變形狀態利用飽和抗剪總應力指標表征。

計算模型采用ANSYS軟件，模型計算范圍為400 m×400 m，以地連墻中心點作為模型原點。洪水的波浪力與靜水壓力為土圍堰承受的主要荷載，根據土圍堰實際狀況和相關資料設定以下5 種工況計算圍堰變形與應力[7]。工況1：土圍堰迎水面滿布波浪力與靜水壓力。工況2：土圍堰迎水面滿布靜水壓力，而在橫梁上布置浪波力，其他方向無作用力。工況3：迎水面滿布靜水壓力，橫梁下布置波浪力，其他方向無作用力。工況4：迎水面滿布靜水壓力，縱梁向主干流側布置波浪力，其他方向無作用力。工況5：迎水面滿布靜水壓力，縱梁向河岸側布置波浪力，其他方向無作用力。根據下述標準作為圍堰應力與變形控制值，分別如下：

（1）變形允許值控制參數。本研究土圍堰豎向變形控制值據《路基邊坡設計規范》確定，最大允許值小于300 mm。本研究土圍堰水平變形控制值參照《建筑邊坡工程技術規范》確定，最大允許值低于圍堰高的1%，本文中水平變形最大允許值為50 mm。依據水平與豎向變形最低值作為總變形控制標準。

（2）應力允許值控制參數。采用抗剪切強度值作為土體應力控制參數，從而保證土圍堰體處于安全范圍以內。土圍堰體抗剪強度應大于實際受到剪應力值，抗剪強度計算公式為：

式中：f、c、h 分別代表土體的剪應力、粘聚力及其厚度；σ、φ 分別為土體的天然密度與內摩擦角。

分別對土圍堰在5 種不同工況下的變形進行計算，結果見表3。根據計算結果可知，在不同工況下土圍堰的最大變形為43.6 mm，在水平X、垂向Y 方向的最大變形分別為36.5 mm、38.3 mm，在各方向上的變形均低于50 mm，小于300 mm 的沉降量限值。

表3 不同工況下X、Y 方向及總變形匯總表

均質土圍堰應力在水平X、垂向Y 方向，在5 種不同工況下的計算結果見表4，根據表4 計算結果可知，土圍堰應力在不同工況下均在破壞應力范圍以內，在最不利狀態下未達到塑性破壞狀態。

表4 最不利應力值在不同工況下的匯總表

2.5 均質土圍堰基底抗滑穩定性分析

根據地面與圍堰之間的XY 平面剪應力判斷土圍堰在豐水期的基底抗滑穩定性，計算結果見表5，其中應力方向利用正、負號反映。根據表5 可知，土圍堰基底剪應力最大值在5 種工況下為34.2 kPa，安全系數為2.06，計算結果能夠符合標準設計要求。

表5 土圍堰基底在5 種工況下的剪應力最大值 單位：kPa

3 結論

通過利用ANSYS 有限元軟件與svoffice 巖土軟件，對某水利工程均質土圍堰進行了一系列的建模驗算，通過加強邊坡、增加圍堰高度及應力監測點的計算分析，確保了高水位狀態下土圍堰的安全穩定性，可為其他類似工程的圍堰方案設計和安全穩定性分析提供一定參考依據。