库岸滑坡段护岸结构稳定性和破坏模式分析

黎 丹

目前长江上游很多地区多属侵蚀丘陵河谷地貌,这些地方基岩岩面通常很深,桩基承台结构是目前这类地区较理想的结构,本文针对这些结构的受力特性和库岸的实际情况,以渗流—应力场耦合理论为依据,就滑坡段高大桩基承台护岸结构的安全性展开讨论,研究其稳定性和破坏模式。

1 计算断面、工况与参数

笔者主持设计的重庆市涪陵区长江、乌江汇合口段东岸堤防工程堤型为深桩基础+扶壁式挡墙结构。扶壁式挡墙迎水面坡度为 1∶0.05,挡墙顶高程170.00 m(黄海高程,以下同);在高程170.00 m～174.00 m采用斜坡护岸,坡面采用混凝土块护坡;在高程174.00 m设置5 m宽平台,平台至堤顶回填高程之间采用植草斜坡护岸,坡度为1∶2.0。

挡墙基础考虑到处于滑坡地段,加之覆盖层深,经比较后采用群桩承台,桩径1.8 m,桩体深入弱风化基岩上部。

工况1:设计枯水位,挡墙外无水,挡墙内有1 m水位。荷载包括:挡土墙自重及填土重,在破裂填筑体上的各种恒载及汽车、人群等临时活荷载,土压力;静水压力,扬压力。

工况2:不利中水位。荷载包括:挡土墙自重及填土重,在破裂填筑体上的各种恒载及汽车、人群等临时活荷载,土压力;静水压力,扬压力,浪压力。

工况3:水位骤降3 m(挡墙墙前水位比墙后水位低3 m,搜索其最不利位置)。荷载包括:挡土墙自重及填土重,在破裂填筑体上的各种恒载及汽车、人群等临时活荷载,土压力;静水压力,扬压力,浪压力。

工况4:滑坡推力。

根据相关规定进行计算,本工程设计考虑两种荷载效应组合:

a.基本组合:工况 1、工况2、工况4;

b.特殊组合:工况3。

墙身计算参数:扶壁式挡土墙采用C25钢筋混凝土,重度r=25 kN/m3;轴心抗压强度设计值12.5 N/mm2;轴心抗拉强度设计值1.3 N/mm2。

回填料及地基参数:填筑料(砂岩石渣料)计算参数为C=0 kPa,Φ=33°,设计干密度为 2.0 g/cm3。

2 有限元模型

根据实际工程需要,数值计算采用三维力学模型。数值分析选取的计算范围如图1所示。根据以上分析,建立如图1所示的几何模型,有限元分析的参数与地勘建议值相同。

计算时根据地勘测得的渗透线确定高水位变化,具体地,取岸坡外水位最低时高程166 m,位于岸坡底部,最高时为180 m,接近岸坡顶部。水位在60 d内从166 m上升到180 m,并保持180 m到第80天,然后水位在第80天～第120天内下降到166m高程,继续保持到第150天,以模拟实际情况中岸坡在5个月内的一次高低水位的变化情况。

3 结果分析

3.1 滑坡推力沿排桩的分配系数

对桩基和库岸进行有限元分析,研究滑坡推力为1 500 kN/m断面各种工况下各桩基的剪力分配规律,将各种结果得到的数据进行综合加权平均(见表1)。

表1 各排桩剪应力和压应力比例分布

分析表明,滑坡推力沿桩基基本是呈均匀分布的,内侧桩基承受的滑坡推力略大于其他桩基,由于桩基顶部由承台连接,桩基顶部变形协调,在填料颗粒均匀时各桩基承受的内力基本相同,但当滑动面有较大孤石或者填料较大时,可能导致滑坡推力不能向下传递,设计和施工时应当注意避免此类情况发生。

3.2 结构内力分析

根据以上综合分析,对方案设计的各种典型断面进行如图2所示的力学分析,分析时取桩基底部自由,桩侧根据进入基岩的岩层特性选取3个方向不同的水平抗力系数,桩径和桩间距根据断面实际情况选取,通过有限元和理论计算,选取合理的计算结构,得到主要截面的计算结果(见表2)。

从表2中可以看出,桩基前侧基岩的水平抗力系数对结构的影响较大,计算设计时应当对桩基前岩石进行校核,防止桩基由于承受较大滑坡推力而导致桩基前基岩的渐进破坏。

3.3 库岸安全性的影响

从图3中可以看出,因坡体水位高于库水位,导致边坡内水的自重由土骨架来承担。此时土体内的孔隙水与库外水相通,对照不同情况下的边坡安全系数即发现不同水位时边坡安全系数的变化显著。用简化Bishop法求得的此时情况下边坡安全系数与水位缓慢下降情况下边坡的安全系数可见,边坡安全系数随着水位的下降先小幅度变小,后大幅变小达到最小值;当水位下降速率越大时,相同库水位对应的边坡安全系数基本上越小,边坡安全系数达到最小值时对应的水位越高,且安全系数最小值数值变小。由此可以看出:水位下降速率越大时,边坡越不稳定,故工程实际中尽量避免水位快速下降现象的发生。

3.4 水位陡升对库岸安全性的影响

水位陡升是指因库水位上升速度较快,桩基库岸外水还来不及渗透到边坡坡体内,而导致库水位高于坡体水位的情况。

计算不同水位变化落差D下,岸坡的安全系数见图4。从图4中可以看出:除边坡开始浸水的初始阶段外,边坡安全系数基本上符合随着水位的上涨先略减小后急剧增大的变化趋势;当水位上升速率越大时,相同库水位对应的边坡安全系数基本上越小,边坡安全系数达到最小值时对应的水位越高,且安全系数最小值数值略变大。由此也可以看出:并不是水位上升速率越大边坡越稳定。为了使边坡尽可能的保持稳定,蓄水时先期速率可尽量大,到了一定程度后,即边坡安全系数达到最小值后,蓄水的速率又应该尽量慢。至于水位多高时边坡安全系数达到最小,应针对具体的边坡条件进行分析。

4 结语

1)嵌入基岩的桩基对岸坡的稳定性影响较大。

2)当水位下降速率大时,桩基滑坡库岸的安全系数基本上较小,当安全系数达到最小值时,对应的是中水位。且水位下降速率越大,边坡越不稳定,工程实际中尽量避免水位快速下降现象的发生。当水位上升速率越大时,库岸的安全系数也基本上越小,安全系数达到最小值时对应的也是中水位。

3)从总体上来看,水位骤降陡升均不利于桩基库岸的稳定。

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