水中填筑围堰利用堰体自重挤淤效果分析

朱德志，张文慧，王莹莹

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098）

水中填筑围堰利用堰体自重挤淤效果分析

朱德志1，2，张文慧1，2，王莹莹1，2

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098）

在河床上填筑土质围堰，由于淤泥土地基的压缩性高、变形大、渗透性低、固结变形持续时间长，所以地基的稳定性成为工程设计面临的主要问题。通过秦淮河船闸扩容改造工程围堰施工的工程实践，分析利用堰体自重挤淤的效果，并通过ABAQUS软件进行数值模拟。对比围堰检测的结果，发现对于淤泥层厚度不大的区域利用水中填筑围堰的自重进行挤淤可以达到很好的效果，从而提高围堰的整体稳定性。

挤淤；数值模拟；围堰

1 引 言

围堰一般是在水中修建的临时性挡水建筑物，但也常与大坝等主体建筑物结合而成为大坝的一部分，在大江大河水利水电工程建设中，围堰具有举足轻重的作用，围堰的成败直接关系到大坝等永久建筑物的施工安全、工期及造价，如果拦蓄的洪水容量较大，还关系到下游人民生命财产安全［1－2］。

淤泥是在静水或者缓慢流水环境中沉积形成的，其主要特点是含水率高且大于液限，孔隙比大于1.5呈现流塑状的饱和粘性土。淤泥不仅孔隙比大、含水率高且压缩性高、渗透性差（小于10－6cm／s），强度低，具有明显触变和流变性。灵敏度较高（St＝ 4～8），一旦受到扰动，淤泥结构从絮凝状态变成某种程度的分散结构，同时结构强度也会急剧降低，造成用开挖方法清除淤泥的困难［3－5］。

挤淤即填筑体在挤开淤泥过程中，不断下沉至淤泥内一定深度后，周围淤泥被挤起，对填筑体产生很大的阻滑力和上托力，当填筑体跟周围淤泥处于极限平衡状态时，便不再下沉。静置之后，被挤淤泥中的超空隙水压力逐渐排除，有效应力逐渐加大，淤泥的结构强度恢复，承载力也逐渐加大，填筑体逐渐成为悬浮于淤泥中或者沉底的稳定结构［6－7］。

利用围堰自重挤淤法，主要通过断面推进过程中土体自身及机械的挤压，淤泥土剪切破坏，加快堤基流塑变形的稳定，从而有效提高围堰的抗滑稳定［8－9］。

2 工程实例－秦淮河船闸扩容改造工程利用填筑围堰自重挤淤

秦淮河船闸位于秦淮河航道新河段下游，距入江口约2 km，是沟通长江干线和南京内河航道的唯一通江口门船闸，是南京市水上交通的重要基础设施（见图1）。下游围堰所处位置（见图2）位于河床最深处高程为－1.5 m，存在3.0 m左右的淤泥层，淤泥层以下是深厚的粉砂层。堰体总高度为13.5 m，水下填筑高度7 m，水上填筑6.5 m，分层碾压。下游围堰按满足Ⅰ级防洪大堤标准要求进行设置：先填筑围堰①进行挤淤，围堰①填筑的高程为6.0 m，迎水侧坡比1∶4，背水侧坡比1∶3，之后抽干围堰内的水，再在背水侧设置反压平台，接着在背水侧清淤，最后填筑⑥、⑦并分层碾压，防渗帷幕墙设置于背水侧高程约为5.0 m，反压平台则设置于背水面坡脚位置，临水面二级平台及其以上坡面采用袋装土防护至坡顶。堤身自重挤淤法主要通过断面推进过程中土体自身及机械的挤压，加快堤基流塑变形的稳定，从而有效提高围堰的抗滑稳定。水面以下部位的围堰填筑坡度不小于1∶4，为有效提高水下堆填质量，采取先备足土料，后采用推土机全断面由一侧向另一侧缓慢推土入水，形成完整堰体后，适当减缓水上堰体的填筑速度，并加强围堰填筑过程中堰体沉降速度的监测，确保堤基流塑变形与堰体沉降平衡、稳定。

图1 秦淮河船闸平面图

图2 下游围堰结构图

3 利用填筑围堰自重挤淤有限元计算

3.1计算模型

饱和的淤泥土抗剪强度在快速施加荷载的情况下，内摩擦角φ近似为0，只考虑不排水强度CU，所以挤淤的单位压力可按A.W.Skempton的极限承载力半经验公式进行计算：

式中：qf为极限承载力；CU为不排水强度；D为填土进入淤泥的深度；B为围堰宽度；L为围堰长度；γ0为抛填土体重度［10］。

本文运用 ABAQUS软件提供的“模型改变”（MODEL CHANGE）功能以实现采用增量法模拟荷载的逐级增加，还可以反映结构本身施工填筑变化对应力应变的影响。同时由于存在淤泥层和水中抛填土体，土层压缩性较高，沉降较大，利用ABAQUS可以考虑大变形的影响，建立围堰体系弹塑性有限元数值模型，采用Mohr－Coulomb破坏准则考虑大变形分析淤泥层的受力及变形特性［11］。

下游围堰按满足Ⅰ级防洪大堤标准要求进行设置：先填筑围堰①进行挤淤，围堰①填筑的高程为6.0m，围堰顶宽为3 m，施工期水位5.5 m，水中抛填粘土到高程5.5m，水上填筑0.5m机械碾压完成挤，迎水侧坡比1∶4，背水侧坡比1∶3。堰体中各土层所示材料特性见表1。

在计算过程中，为了各个结点和单元能够相互匹配，故在所有的计算中都采用同一套的网格单元，为四节点四边形单元。将围堰划分为12 352个节点，12 002个单元，单元类型为CPE4，有限元网格见图3。

表1 各土层参数

图3 围堰有限元网格剖分

图4中坐标原点为迎水侧填筑粘土和淤泥土的接触点，结合图5可以看出围堰①填筑完成后最大位移出现在淤泥层，淤泥层水平位移从围堰①轴线处分别向两侧先变大后减小，在轴线处位移为零，用ABAQUS软件分析淤泥层的等效塑性应变变化图（见图6）可以看出，等效塑性应力从围堰轴线处向迎水侧和背水侧发展，直至从坡脚处挤出，淤泥层破坏。

图4 淤泥层和填土接触面的水平位移随坐标变化图

图5 围堰水平位移分布图（单位：cm）

图6 围堰等效塑性应变图

3.2 围堰检测结果

3.2.1 土层分布

土中填筑完成后土层检测结果见图7。

3.2.2 检测点布置

为了得到围堰的挤淤效果，在围堰布置5个钻孔，钻孔布置图见图8，检测结果见图7。围堰检测后土层分布自上而下依次为：素填土，层厚为6.40 m～8.50 m，层底高程为－0.40 m～－2.10 m；淤泥质粉质粘土或粉质粘土夹砂（在钻孔XJ1、XJ2为淤泥质粉质粘土；钻孔XJ3、XJ4、XJ5为粉质粘土夹砂），层厚0.90m～1.30 m，层底高程为－0.40 m～－3.10 m；粉砂，未揭穿。

图7 围堰工程地质剖面图

图8 围堰钻孔布置图

3.3 挤淤效果分析

从围堰水平位移云图（见图5）可以看到，迎水侧和背水侧水平位移最大值都出现在淤泥层，迎水侧最大位移为8.04 cm，背水侧最大位移为22.92 cm，在淤泥层和填筑体接触面建立水平方向的位移路径（见图4），迎水侧为坐标原点，从图4可以看出从围堰轴线向围堰两侧的水平位移先增大再减小，在围堰轴线两侧位移较小。

从等效塑性应变图（图6）上可以看到，由于淤泥土的强度很低，在堤身自重的作用下，塑性区主要发生在淤泥层而且淤泥层塑性区会不断的发展，塑性区首先发生在围堰轴线附近的淤泥层，接着从围堰轴线处向两侧发展，直到发展到堰脚处，这一过程正是淤泥层被剪切破坏的过程。

围堰在抛填之前存在3.0 m左右的淤泥层，从围堰检测结果（图7）可以看到，抛填结束之后，在钻孔XJ1、XJ2段为淤泥质粉质粘土，层厚为0.9 m～1.1 m，在钻孔XJ3、XJ4、XJ5段为粉质粘土夹砂，层厚为0.9m～1.3m，在迎水侧坡脚和坡身已不存在淤泥层，说明淤泥层被堤身自重挤开，挤淤效果明显。在没有挤淤的情况下，用ABAQUS软件中的强度折减法计算下游围堰的整体安全系数为1.1，挤淤结束之后在淤泥被挤开的情况下，重新建立围堰的有限元模型，此时用ABAQUS软件中的强度折减法计算下游围堰的整体安全系数为1.54，安全系数提高了40%，可以看出淤泥层的存在将严重影响围堰的整体稳定，挤淤在提高围堰的稳定性方面就显得至关重要。

从上述结果可以看出水中抛填围堰利用堰体自重挤淤，首先是围堰轴线附近的淤泥发生塑性破坏，接着向轴线两侧发展，淤泥会被从坡脚处挤出，直到堰体重新达到平衡，挤淤结束，挤淤效果最显著的部位发生在围堰轴线到迎水侧和背水侧的淤泥层，而围堰轴线两侧的淤泥层由于受到的摩擦阻力更大，挤淤效果不是很明显。

4 结 论

（1）对于淤泥层厚度不大的区域进行水中抛填围堰，利用堰体自重可以有效地挤开围堰轴线到坡脚的淤泥，达到很好的挤淤效果。

（2）利用围堰自重挤淤，由于淤泥被挤出，从而加快堤基的流塑变形稳定，有效提高围堰的抗滑稳定，最终提高围堰整体稳定性。

（3）用ABAQUS软件模拟围堰填筑过程和填筑结束后挤淤的结果，对比围堰检测结果，可以看出两者是一致的，说明用ABAQUS软件模拟挤淤是可靠的。

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Analysis on Squeezing-silt Effect by Using Filled Soil Cofferdam Weight in Water

ZHU De-zhi1，2，ZHANGWen-hui1，2，WANG Ying-ying1，2
（1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China；2.Geotechnical Engineering Research Institute，HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

Because of the high compressibility，low permeability and long duration of the consolidation deformation of silt dam foundation，the stability of the dam foundation becomes themain problem in engineering design when filling the soil cofferdam on river bed.Here，the effect of squeezing-silt by using the dam weight is analyzed combined with the engineering examples for the cofferdam construction ofQinhuaiRiver’s lock expansion and renovation project，and the numerical simulation ismade by using the ABAQUS software.It is found that taking the use of filled soil cofferdam weight in thewater could achieve good squeezing-silt results in the area where the silt layer thickness is small compared with the test results of the cofferdam，thereby the overall stability of the cofferdam could be improved.

squeezing-silt；numerical simulation；cofferdam

TV551.3

A

1672—1144（2014）01—0100—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.021

2013-08-30

2013-09-25

朱德志（1987—），男，江苏宿迁人，硕士研究生，研究方向为水中填筑围堰整体稳定。