河道綜合治理堤防承載能力的原位觀測試驗研究

孫 健

(遼寧天陽工程技術咨詢服務有限公司，沈陽 110003)

1 概 述

河道綜合治理需要對其堤防的承載能力進行設計，這其中其地質參數是其設計的重要指標[1]。當前對于河道堤防承載力的分析主要采用兩種方式，第一種方式是采用室內試驗，通過對治理河段的土層進行采樣后，在室內完成其堤防承載能力相關參數的測定[2-6]。這種方式得到的參數結果較為準確，但需要消耗較長的時間，且受到采樣方式的影響，其參數測定結果代表性存在不高的局限[7].第二種方式主要采用有限元計算的方式，這種方式在國內一些流域河道綜合治理項目中得到實踐，其一般用于大型河道，可通過有限元模型對不同地質參數進行模擬演算，并結合試驗測定數據對其模型計算精度進行驗證，這種方式在于可以模擬不同地質參數，代表性較好，適用于大型河道堤防承載力的計算，但由于模型參數較多，操作難度較大，適合于大型河道的地質參數計算，而對于一些中小河流而言，這種方式存在一定的局限性。近些年來，原位觀測方式在一些水利工程建設地質參數測定中得到應用，但是對于河道綜合治理中還應有較少，為此文章結合原位觀測方式，結合河道綜合治理工程實例，探討和摸索該方式在河道綜合治理堤防承載力的適用性，研究成果可為道綜合治理穩定性參數設計提高重要參考。

2 試驗原理

所謂原位觀測即為在現場不擾動河道堤防土層的前提下，進行各項河道堤防各項地質參數的測定，從而對不同堤防承載力相關的設計參數進行獲取。試驗在地表荷載作用下，結合彈性力學對地表荷載力下的各相關參數進行測定，一般采用靜力荷載的方式進行表層荷載試驗，一般試驗分為剪切、滲透、固結以及相對密度測定，各試驗測定具有原理為：

采用垂直抨擊方式進行靜力荷載分析，垂向抨擊原點坐標為o，地質土層中任何一個抨擊點三維坐標為N(r,θ,z)，其與抨擊原點o的直線距離為R，抨擊點與原點o的直線夾角為β，則任意轉角θ的應力測定值為：

(1)

式中：k為土層的應力參數值。

原位觀測方式對堤防沉降分析主要采用函數擬合的方式進行反向應力計算，計算中一直保持相同的靜力荷載：

(2)

式中：P為堤防沉降荷載，kPa；x為抨擊的垂線距離，m。

通過對河道堤防應力和沉降原位觀測試驗基礎上，對沉降荷載和應力荷載建立相關方程，對于圓形剖面土層，其方程為：

(3)

對于方形剖面土層，其方程為：

(4)

式中：v為泊松系數；E為靜力荷載測定的河道堤防變形量，mm；D和B為圓形剖面直徑，m和剖面寬度，m。

在進行土層變形量測定的基礎上，對其承載力進行測定，測定方程為：

fspk=mfpk+(1-m)fsk

(5)

式中：fspk為堤防承載力測定值，kPa；fpk為土層剖面承載力測定值，kPa；fsk為不同參數測定條件下的堤防承載力測定值，kPa。

3 實例探討

3.1 堤防概況

以某河道堤防治理為實例，探討其河道堤防承載力原位觀測試驗的試驗用，該河段土層主要為卵石和素填土，設計堤防梯形剖面，見圖1，河道剖面總長度為3.94m，剖面高度為1m，主要為梯形剖面。

圖1 設計堤防梯形剖面

3.2 物理參數測定

通過垂向抨擊試驗對不同土層的含水量、干濕密度、飽和密度、土壤容重、滲透孔隙比、滲透系數進行了分組試驗，抨擊試驗測定參數，見表1；各土層地質參數測定結果，見表2。

表1 抨擊試驗測定參數

表2 各土層地質參數測定結果

續表2 各土層地質參數測定結果

采用重力垂直抨擊試驗時，需要確定最為適應的抨擊次數，通過抨擊組數分析其各抨擊試驗下的變異系數的變化區間，當變異系數較小時，一般認為達到最佳抨擊次數，此時的可以對其土層的物理參數進行測定。從表1中可看出，當抨擊次數位于42-49次時，其變異系數變化范圍在0.2-0.3之間，變化幅度相對穩定，因此當試驗組數達到49次時，其值較為穩定，修正系數為1.1，卵石層的建議抨擊值要高于素填土。從不同地層物理參數可看出，堤身段其滲透系數總體變化較小，而砂礫段地層的滲透系數變化較大，變化幅度在4.0×102之間。砂礫段明顯高于其堤身段地層的滲透系數。從不同地層的含水量建議值可看出，堤防剖面含水層的分布總體較為均勻，其干濕密度也較為接近，表明土層厚度以及土層類型對其含水層以及干濕密度垂向影響較小。堤身段孔隙比要高于砂礫孔隙比，主要因為其堤身段素填土較為稀疏，且位于上部，使得其具有相對較大孔隙比。

3.3 應力測定結果

在采用垂向抨擊試驗獲取各土層物理指標后，分別進行剪切應力和沉降原位觀測試驗，不同剪切應力參數測定結果，見表3；不同剪切應力沉降參數測定結果，見表4。

表3 不同剪切應力參數測定結果

表4 不同剪切應力沉降參數測定結果

從剪切應力試驗結果可看出，隨著靜力荷載的增加，其壓力參數逐步提高，但當靜力荷載為150kPa時，其不同干密度條件下其剪切應力逐步趨于穩定變化，這主要是因為隨著靜力荷載的作用下，其土層將不斷被壓實，壓實后的土層其剪切壓力也將不再發生變化。試驗河段剪切應力均值為41.4KPa，其不同剪切應力下的內摩擦角的均值為46.8°。從各試驗河段堤防的沉降試驗分析結果可看出，隨著靜力荷載的增加其壓縮系數先減后增，這主要是當靜力荷載增加時，由于先增加了其孔隙比，使得其沉降的壓縮系數有所減少，當孔隙比增加到一定程度后，壓縮系數逐步加大，并趨于穩定變化。

3.4 堤防承載力測定結果

在應力和沉降靜力荷載試驗分析的基礎上，對各試驗河段不同靜力荷載條件下的堤防承載力進行綜合測定，不同原位觀測點靜力荷載條件下堤防承載力測定結果，見表5。

表5 不同原位觀測點靜力荷載條件下堤防承載力測定結果

從各原位觀測點靜力荷載下的承載力測定結果可看出，不用原位觀測點下其承載力變化不同，且影響的沉降值有所差異，第1個原位觀測點其沉降變化幅度最大，最大沉降和最低沉降之間的差值為48.62mm，沉降變化最小的為3#原位觀測點，其最大沉降和最低沉降之間差值為45.35mm，不同原位觀測點沉降差異值主要受其承載力的綜合影響。隨著承載力的提高，其沉降值逐步減小。除受到不同河段堤防承載力影響外，其剖面的剪切應力也是其沉降的重要影響因素，隨著剪切應力的加大，各原位觀測點的沉降也有所減小。

3.4 原位觀測質量控制措施

原位觀測試驗的優點在于可不對堤防土層進行人為擾動的條件下進行其堤防承載能力各項指標的測定，且可以對不同堤防段的土層進行原位測定，代表性較高，其缺點在于需要較多的人力和物力試驗觀測，因此不適合于大型河道的堤防承載力的試驗測定，在進行原位過程觀測試驗時，需要對以下幾個方面進行質量控制，可提高原位觀測指標測定的精度：

1)在進行觀測試驗時需要對不同土層進行多組試驗，而不能采用單一組別試驗對河道堤防不同土層的承載力指標進行測定。

2)在進行較大河流堤防承載力原位觀測試驗時，還需要對土層的殘余強度進行原位測定，從而綜合判定其堤防的承載能力。

3)在進行河道堤防承載力設計值選取時，應對其不同觀測點沉降位移和靜載的相關性進行分析，從而對其壓力經驗值進行合理設計。

4)在進行土層動力學指標測定時，不同土層的測定距離應盡量在1-1.5m范圍內進行測定，對于復雜土層還應采用孔斜測量方式進行土樣的測定。

4 結 論

1)原位觀測試驗的優點在于可不對堤防土層進行人為擾動的條件下進行其堤防承載能力各項指標的測定，且可以對不同堤防段的土層進行原位測定，代表性較高，其缺點在于需要較多的人力和物力試驗觀測，因此不適合于大型河道的堤防承載力的試驗測定。

2)隨著靜力荷載的增加河道堤防土層壓縮系數先減后增，這主要是當靜力荷載增加時，由于先增加了其孔隙比，使得其沉降的壓縮系數有所減少，當孔隙比增加到一定程度后，壓縮系數逐步加大，并趨于穩定變化。

3)在進行較大河流堤防承載力原位觀測試驗時，建議土層殘余強度指標的原位測定，從而綜合判定其堤防的承載能力。