塑鋼板樁應用于黃河寧夏地區邊坡穩定性分析

武慧芳，顧靖超，陸立國

(寧夏水利科學研究院，寧夏 銀川 750021)

黃河寧夏段自中衛南長灘翠柳溝入境至石嘴山上道坎麻黃溝出境，全程397km，穿越4個地級市，10個縣區，涉及灌溉面積816萬畝，工業年供水量3億m3，是寧夏工農業用水的主要來源，在寧夏經濟發展中占有及其重要的地位[1- 3]。寧夏在黃河治理方面傳統上一般采用草土埽進占、鉛絲石籠護坡護腳。由于草土埽體長期浸泡于水中，草料腐爛變質，造成壩體沉降、變形，對防洪工程安全構成威脅；鉛絲石籠長時間在水中浸泡，鐵絲容易銹蝕斷裂，久而久之，石籠散架，失去固腳護坡的作用，給工程帶來安全隱患。近年來，又先后引進應用了土工格柵材料作為進占體，格賓石籠用于護坡護腳，具有一定成效，但土工格柵材料在長期日照條件下易老化，格賓石籠伴隨著長期沖刷容易出現松垮坍塌現象[4- 10]。引進河道治理新材料，展現黃河寧夏段特有資源優勢，打造黃河金岸，展現塞上明珠獨特魅力，已迫在眉睫。

高強度塑組合鋼板樁是一種由高分子原材料經特殊配方一次擠壓成型的強化復合材料，每片兩側設置CT圓弧形套接接頭，通過匹配連接，形成整體連續的護岸板墻，如圖1所示。具有材質輕型、隔水性能好、抗老化、耐腐蝕、施工快捷、使用壽命長等優點，可縮短施工工期，減小施工作業面，對周邊環境影響小，有利于生態環境的保護，被水利部列入《2016年水利先進實用技術重點推廣指導目錄》，已廣泛應用于防洪、排澇、防塌陷塌方、防泥石流等自然災害搶險救災和工程建設中[11- 13]。

圖1 塑鋼板樁結構圖

文章通過選取黃河二期寧夏整治河段典型斷面，采用Morgenstern-Price法[14- 15]，建立高強度塑鋼組合板樁應用模型，對沖刷前后有無板樁滲流場及護岸穩定、塑鋼板樁進行材料特性、石籠網兜穩定性進行模擬分析研究，為工程設計中穩定性分析提供一定的建議。

1 模型及參數

1.1 典型斷面模型

選取黃河二期寧夏段河道整治工程典型斷面，堤壩用壤土或礫石土填筑，護坡用干砌石、鉛絲石籠或格賓網墊防護，基礎護根用塊石、鉛絲籠、木架四面體、混凝土四腳體拋筑，經自然沉降及多次搶險加固后逐步達到工程水下拋投根石在達到設計沖刷深度的穩定狀態。采取塑鋼板樁時，板樁長度取12m。考慮土體來源及應力狀態，將土體模型分為4層，依次定義為回填土、基礎土體I、基礎土體II及基礎土體III，各土層厚度分別為：4.5、5、4.6、5.2m，模型如圖2所示。

圖2 沖刷前后典型斷面模型

1.2 材料物理力學參數

材料物理力學參數包括土層物理力學參數見表1，石籠網兜材料參數見表2，塑鋼板樁抗彎性能參數見表3。

表1 土層物理力學參數表

表2 石籠網兜材料參數

表3 塑鋼組合板樁抗彎性能參數

1.3 抗滑穩定標準

堤防的抗滑穩定安全系數按照GB50286—2013《堤防工程設計規范》的要求執行[16]，數值見表4。

表4 堤防抗滑穩定安全系數

2 數值模擬分析[17- 22]

2.1 施工期流量工況下滲流及穩定分析

2.1.1穩態滲流穩定分析

在施工期流量下，首先進行護岸在穩態滲流情況下的滲流場計算，在初始滲流場計算結果的基礎之上，采用Morgenstern-Price法對護岸進行穩定性分析。

由于塑鋼板樁防滲效果不明顯，有無板樁模型二者在孔隙水壓力、流線分布規律及浸潤線均一致，因此，本次計算中不考慮板樁控制滲流、防止地基滲透變形的作用，計算得到的護岸在施工期流量條件下的滲流場如圖3所示。

圖3 穩態滲流情況下滲流場分布

在滲流分析結果上，進行護岸穩定分析。穩定分析時采用有板樁(板樁受剪承載能力為40kN)和無板樁兩種情況進行分析。不同情況下得到的最小穩定安全系數及相應滑動面如圖4所示，兩種參數對比分析結果見表5。

圖4 穩態滲流情況下穩定安全系數及滑動面

表5 護岸穩定分析結果

由上述計算成果可以看出：

(1)在施工期流量工況、無板樁的情況下，對于上游側壩坡，最小穩定安全系數為3.360，臨界滑移面從護岸頂部距石臺約3.6m處起，經過護岸回填土、基礎土體Ⅰ、基礎土體Ⅱ，最終從河床段滑出。滑出點距護岸坡腳處9.8m左右。

(2)在施工期流量工況、有板樁的情況下，對于上游側壩坡，最小穩定安全系數為3.776，臨界滑移面從護岸頂部距石臺約4m處起，經過護岸回填土、基礎土體Ⅰ、基礎土體Ⅱ，貫穿板樁，最終從河床段滑出。滑出點距護岸坡腳處11m左右。

(3)在施工期流量工況下運行時，無論是否存在板樁，整體穩定均能能滿足GB 50286—2013《堤防工程設計規范》的要求；在其他條件相同下，護岸在有板樁情況下穩定性優于無板樁情況。

2.1.2瞬態滲流穩定分析

模擬堤壩沖刷穩定前斷面在施工期流量工況下水位驟降的情況，對堤壩滲流場、穩定性進行分析。堤壩起始位于施工期流量水位穩定滲流狀態，5min內從施工期流量水位1105.61m勻速下降至坡腳高程1103.61m。在施工期流量工況下，水位驟降的堤壩滲流場變化過程如圖5所示。

圖5 施工期流量水位驟降滲流場變化

在瞬態滲流分析結果上，進行堤壩穩定分析。穩定分析時采用有板樁(板樁受剪承載能力為40kN)和無板樁兩種情況進行分析。不同情況下得到的最小穩定安全系數及相應滑移面如圖6所示，兩種參數對比分析結果見表6。

圖6 瞬態穩定安全系數及滑動面

表6 堤壩穩定分析結果

由上述計算成果可以看出：

(1)在水位驟降、無板樁的情況下，對于上游側壩坡，最小穩定安全系數為2.547，臨界滑移面從堤壩頂部距石臺約2.2m處起，經過堤壩回填土、基礎土體Ⅰ、基礎土體Ⅱ，最終從河床段滑出。滑出點距堤壩坡腳處11m左右。

(2)在水位驟降、有板樁的情況下，對于上游側壩坡，最小穩定安全系數為2.797，臨界滑移面從堤壩頂部距石臺約3.2m處起，經過堤壩回填土、基礎土體Ⅰ、基礎土體Ⅱ，貫穿板樁，最終從河床段滑出。滑出點距堤壩坡腳處11m左右。

(3)在水位驟降下運行時，無論是否存在板樁，整體穩定均能能滿足GB 50286—2013《堤防工程設計規范》的要求，但其穩定安全系數明顯小于穩態滲流情況；在其他條件相同下，堤壩在有板樁情況下穩定性優于無板樁情況。

2.2 沖刷穩定后滲流及穩定分析

首先進行滲流穩定分析，施工期流量條件下沖刷穩定滲流場分布同2.2.1，在滲流分析結果上，進行護岸穩定分析。穩定分析時采用有板樁(板樁受剪承載能力為40kN)和無板樁兩種情況進行分析。不同情況下得到的最小穩定安全系數及相應滑動面如圖7所示。兩種參數對比分析結果見表7。

圖7 沖刷后有無板樁護岸穩定安全系數及滑動面

表7 護岸穩定分析結果

由上述計算成果可以看出：

(1)在施工期流量、無板樁的情況下，對于上游側壩坡，最小穩定安全系數為1.836，臨界滑移面從護岸頂部石臺右側處起，經過護岸回填土、基礎土體Ⅰ、基礎土體Ⅱ，最終從河床段滑出。滑出點距護岸坡腳處1m左右。

(2)在施工期流量、有板樁的情況下，對于上游側壩坡，最小穩定安全系數為2.023，臨界滑移面從護岸頂部距石臺右側約0.3m處起，經過護岸回填土、基礎土體Ⅰ、基礎土體Ⅱ，貫穿板樁，最終從河床段滑出。滑出點距護岸坡腳處3m左右。

(3)在施工期流量下運行時，無論是否存在板樁，整體穩定均能能滿足GB 50286—2013《堤防工程設計規范》的要求，但其穩定安全系數明顯小于沖刷穩定前情況；在其他條件相同下，護岸在有板樁情況下穩定性優于無板樁情況。

2.3 塑鋼板樁參數敏感度分析

2.3.1施工期流量工況(沖刷穩定前)

經計算，當板樁抗剪承載力為90kN，臨界滑動面不貫穿板樁，且繼續增加板樁抗剪承載力無法有效提高護岸穩定安全系數，具體計算結果如圖8(a)所示。因此取板樁抗剪承載力區間為[20，100]進行分析，抗剪承載力與安全系數關系如圖8(b)所示。

圖8 沖刷穩定前塑鋼板樁參數敏感性分析

由上述計算成果可以看出：所選斷面在沖刷穩定前，在施工期流量下運行時，在板樁抗剪承載力小于90kN時，提高板樁抗剪承載力能有效的提高斷面的穩定安全系數，但當板樁抗剪承載力大于等于90kN時，臨界滑動面不貫穿板樁，且繼續增加板樁抗剪承載力無法有效提高護岸穩定安全系數。

2.3.2施工期流量工況(沖刷穩定后)

經計算，當板樁抗剪承載力為106kN，臨界滑動面不貫穿板樁，且繼續增加板樁抗剪承載力無法有效提高護岸穩定安全系數，具體計算結果如圖9(a)所示。因此取板樁抗剪承載力區間為[20，110]進行分析，抗剪承載力與安全系數關系如圖9(b)所示。

圖9 沖刷穩定后塑鋼板樁參數敏感性分析

由上述計算成果可以看出：

(1)所選斷面在沖刷穩定后，在施工期流量下運行時，在板樁抗剪承載力小于106kN時，提高板樁抗剪承載力能有效的提高斷面的穩定安全系數，但當板樁抗剪承載力大于等于106kN時，臨界滑動面不貫穿板樁，且繼續增加板樁抗剪承載力無法有效提高護岸穩定安全系數。

(2)所選斷面在沖刷穩定前、后，在板樁抗剪承載力小于某一值時，提高板樁抗剪承載力能有效的提高斷面的穩定安全系數，但當板樁抗剪承載力大于等于該值時，臨界滑動面不貫穿板樁，且繼續增加板樁抗剪承載力無法有效提高護岸穩定安全系數。

2.4 石籠網兜穩定性分析

石籠網制成箱籠、網墊，用于江河、護岸及海塘的防沖刷保護，其柔性的結構能適應邊坡的變動而不被破壞，比剛性結構具備更好地安全穩定性，同時抗沖刷能力也較強。

2.4.1施工期流量工況(沖刷穩定前)

由于在沖刷前，石籠塊體較為平整的堆積在護岸土坡上，對土坡穩定性主要起頂部蓋重作用，并且由于護岸板樁作用加固作用，在石籠材料黏聚力降c為0，內摩擦角φ降為0°時，護岸滑移面仍不通過石籠塊體，且護岸穩定安全系數不隨石籠材料參數變化而變化，具體計算結果見圖10(a)。

2.4.2施工期流量工況(沖刷穩定)

由于在沖刷穩定后，石籠塊體傾斜角度增大，存在滑移面通過石籠塊體的可能，在石籠材料黏聚力降為0，內摩擦角降為0°時，護岸滑移面均通過石籠塊體，且護岸穩定安全系數明顯下降，改變石籠材料參數，設黏聚力為15kPa，內摩擦角降為0°或黏聚力為0，內摩擦角降為45°，則存在可能滑移面通過石籠塊體，具體計算結果如圖10(b)、(c)、(d)所示。

圖10 石籠網兜沖刷穩定前后護岸穩定安全系數及滑動面

由上述計算成果可以看出：沖刷穩定前，石籠塊體較為平整的堆積在護岸土坡上，對土坡穩定性主要起頂部蓋重作用；沖刷穩定后，由于護岸傾斜角度增大，當在石籠材料黏聚力、內摩擦角非常小時，護岸存在滑移面通過石籠塊體，護岸穩定安全系數也明顯下降，且黏聚力對此現象影響更為顯著。

3 結語

以黃河寧夏地區護岸加高加固工程為研究對象，對護岸滲流場及壩坡穩定系數進行仿真計算，對護岸穩定性進行分析。取得的主要結論如下：

(1)依據相關參數分別對沖刷穩定前、后，護岸施工期流量工況下的穩定滲流場及護岸壩坡穩定進行了分析。所選斷面沖刷穩定前，在有無板樁的情況下，穩定安全系數分別為3.776、3.360，沖刷穩定后，穩定安全系數分別為1.836、2.023，均能能滿足GB 50286—2013《堤防工程設計規范》的要求；在其他條件相同下，護岸在有板樁情況下穩定性優于無板樁情況。

(2)模擬護岸沖刷穩定前斷面在施工期流量工況下水位驟降的情況，計算其不同時間的滲流場及護岸壩坡穩定性，在水位驟降下時，在有無板樁的情況下，穩定安全系數分別為2.797、2.547，均能能滿足要求，但其穩定安全系數明顯小于穩態滲流情況；在其他條件相同下，護岸在有板樁情況下穩定性優于無板樁情況。

(3)通過研究高強度塑鋼組合板樁及石籠材料參數變化，對護岸進行了敏感性分析，得到材料特性與護岸穩定性的相關關系，結果表明：在板樁抗剪承載力小于某一值時，提高板樁抗剪承載力能有效的提高斷面的穩定安全系數，但當板樁抗剪承載力大于等于該值時，臨界滑動面不貫穿板樁，且繼續增加板樁抗剪承載力無法有效提高護岸穩定安全系數；在護岸傾角較小時，石籠塊體較為平整的堆積在護岸土坡上，對土坡穩定性主要起頂部蓋重作用；在護岸傾斜角度增大，且石籠材料黏聚力、內摩擦角非常小時，護岸存在滑移面通過石籠塊體，護岸穩定安全系數也明顯下降，且黏聚力對此現象影響更為顯著。