锚碇围堰稳定性分析

2016-10-12吴合良

湖南交通科技 2016年3期

关键词：毕肖普法围堰

吴合良，曹　伟

(湖南省大岳高速洞庭湖大桥建设开发有限公司，湖南岳阳　414000)

锚碇围堰稳定性分析

吴合良，曹伟

(湖南省大岳高速洞庭湖大桥建设开发有限公司，湖南岳阳414000)

设计了大岳高速洞庭湖大桥锚碇施工围堰，为确保围堰的稳定性，同时采用瑞典圆弧法和毕肖普法对该围堰在常水位、洪水位和水位快速下降3种工况进行了抗滑稳定性分析，得到了抗滑稳定安全系数。分析结果表明，各工况下稳定安全系数均可满足规范要求，最小稳定安全系数出现在洪水迅速下降的工况。

；桥梁施工；围堰；稳定性；安全系数

岳阳洞庭湖大桥是临岳高速公路全线的控制性工程，桥位位于洞庭湖入长江交汇口处岳阳市七里山，走向东起岳阳，西接君山，主梁跨径组合为：1 480 m+453.6 m。两岸锚碇为重力式锚碇，基础为支护开挖深埋扩大基础，鉴于锚碇基础施工期间洪水影响，拟采用填土围堰进行围护施工。

1　围堰设计

君山岸锚碇施工区域平均标高27.0 m，枯水位标高为26.94 m，施工水位按照5 a一遇控制，施工洪水位为31.58 m，考虑洪水影响，围堰顶标高设计为+32 m。围堰高5 m，顶面宽3.5 m，围堰底面宽约18.5 m，设计顶标高为+32.0 m，内外边坡均按照1∶1坡度放坡。围堰外边坡采用阶梯状形式。外边坡底端设置1 m高、50 cm厚挡墙，外边坡进行铺设土工布，其上堆积袋装水泥土防护。内边坡进行植草防护。围堰由上向下结构依次为20 cm C30水泥混凝土路面、10 cm砂垫层、50 cm碎石层、粘土路基，详细结构见图1。

图1　围堰断面图(单位；cm)

2　围堰稳定性分析

围堰虽为临时构筑物，但其安全性不容忽视。围堰的边坡稳定是安全控制的关键性问题，也是近年来的研究热点。邬攀[1]探讨了边坡失稳判据的3种方法，利用极限平衡法求出边坡的安全系数，利用有限元技术进行了边坡折减强度计算，得出了边坡的安全系数及潜在的滑动面。严新军等[2]针对高边坡形成和开挖的特点，采用分层加载法模拟其初始应力场的形成过程，并用移除单元法模拟先期岩层开挖过程。运用温控参数强度折减有限元法计算高边坡在渗流、地震等荷载作用下，给定岩体有、无初始应力的边坡稳定安全系数。罗立哲等[3]基于围堰施工过程中堰体应力及渗流状态变化规律分析和土石材料力学非线性理论，建立考虑施工过程的土石围堰边坡稳定分析模型，在此基础上，进行高土石围堰施工-运行过程边坡稳定特性分析。徐林春等[4]针对单一土层边坡，选取了边坡体坡度、土体材料的天然容重、凝聚力和内摩擦角4个主要影响因素，采用Bishop的边坡稳定分析计算方法探讨了边坡的抗滑稳定安全系数在临水坡有水和无水状态下与每个因素之间的响应关系。

根据《水利水电工程围堰设计规范》(SL645-2013)[5]表4.0.1可知，该围堰应按5级围堰分析。根据城陵矶水文站观测记录，围堰所处位置的常水位标高为+17～+32 m。由于2003年三峡大坝合龙，2006年三峡开始蓄水，对长江中下游的防洪起到了较大的改善作用，根据收集到的2003年～2012年10 a期间城陵矶站的水文资料，最高水位为+27.32～+31.68 m，通常丰水期在7～8月。锚碇及主塔位置汛期多被洪水淹没。

由于土围堰渗透系数小，迎水面设有土工布挡水，且洪水期一般不超过3个月，在计算时可不考虑渗流影响，而采用饱和抗剪总应力指标进行计算。根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)[6]，土石围堰堰坡及覆盖层地基的抗滑稳定性宜按单一安全系数刚体极限平衡法进行计算，抗滑稳定性采用瑞典圆弧法或毕肖普法时，土石围堰的边坡稳定安全系数应满足表1中非正常运行条件Ⅰ的相关规定。计算对象主要为施工期设计洪水位下临、背水边坡一集水位骤降期的临水边坡。

表1 土堤边坡抗滑稳定安全系数堤防工程级别安全系数瑞典圆弧法简化毕肖普法正常运用条件非正常运用条件ⅠⅡ正常运用条件非正常运用条件ⅠⅡ11.301.201.101.501.301.2021.251.151.051.351.251.1531.201.101.051.301.201.1541.151.051.001.251.151.1051.101.051.001.201.101.05

2.1围堰平面位置及断面尺寸

该围堰内侧坡脚离地连墙边缘37 m，其与锚碇基坑间相互影响较小，分析围堰稳定时，可不计入基坑影响。土围堰平面位置见图2，断面图见图1。围堰下底层考虑围堰左右各向外延伸10 m，厚度10 m。

图2　围堰平面布置图

2.2计算参数

围堰及地基抗剪强度参数均为饱和状态下的总应力指标，采用其进行分析已留有一定的安全储备。由土工试验报告[7]可知，土围堰填土土粒比重Gs=2.73，含水量w=23.4%，最大干密度ρmax=1 450 kg/m3，围堰填土压实度K=0.8，计算可得干密度ρd=1 232 kg/m3，孔隙比e=1.216，天然密度ρ=1 520.3 kg/m3，饱和密度ρsat=1 780.7 kg/m3。

由锚碇详勘及补勘各钻孔柱状图可知：地基表层2～3 m范围内为种植土及粘土，由于勘察报告中未给出该层的力学参数，偏于安全考虑，计算中将其等同于淤泥质粘土考虑。见表2。

为确保围堰稳定性计算的可靠性，同时采用规范规定的瑞典圆弧法及毕肖普方法进行计算对比分析。

表2 主要地层与围堰填料力学计算参数岩土层名称重度/(kN·m-3)饱和重度/(kN·m-3)压缩模量/MPa淤泥质粘土183.4围堰填料15.217.813.44泊松比抗剪强度(固结快剪)凝聚力c/kPa内摩擦角ψ/(°)0.425150.323.731.9

2.3计算工况说明

工况1：围堰施工完成时，地下水位高程为20 m。

工况2：地面以上洪水位按最高洪水位+31.58 m考虑，迎水面土工布渗透系数较低，迎水面作用的荷载包括静水压力与波浪力；取波浪力为20 kPa，垂直作用于坡面。通常来说，围堰内会有施工临时堆载，故需考虑围堰内施工堆载的影响，计算时假设堆载为10 kPa。

工况3：水位下降条件下围堰稳定状况。

2.4计算结果分析

2.4.1工况1

1) 背水面计算结果。

瑞典圆弧法见图3。毕肖普法见图4。

图3　瑞典圆弧法背水面计算结果

图4　毕肖普法背水面计算结果

2) 临水面计算结果。

瑞典圆弧法见图5。毕肖普法见图6。

图5　瑞典圆弧法临水面计算结果

图6　毕肖普法临水面计算结果

2.4.2工况2

1) 背水面计算结果。

瑞典圆弧法见图7。毕肖普法见图8。

图7　瑞典圆弧法背水面计算结果

图8　毕肖普法背水面计算结果

2) 临水面计算结果。

瑞典圆弧法见图9。毕肖普法见图10。

图9　瑞典圆弧法临水面计算结果

图10　毕肖普法临水面计算结果

3) 围堰内堆载背水面计算结果。

瑞典圆弧法见图11。毕肖普法见图12。

图11　有堆载瑞典圆弧法背水面计算结果

图12　有堆载毕肖普法背水面计算结果

2.4.3工况3

1) 临水面计算结果。

瑞典圆弧法见图13。毕肖普法见图14。

图13　瑞典圆弧法临水面计算结果

图14　毕肖普法临水面计算结果

从表3、表4可以看出，同一工况下，采用瑞典圆弧法要比毕肖普法计算出的安全稳定系数小，背水面的安全稳定系数要小于临水面。随着水位的升高，背水面安全稳定系数有所减小，临水面安全稳定系数增加明显，当达到洪水位时，背水面安全稳定系数较小，而临水面安全稳定系数较大，围堰内施工堆载对围堰稳定性的提高有一定帮助。最小稳定安全系数出现在洪水迅速下降的工况。

表3 计算结果工况计算面计算方法抗滑稳定安全系数备注工况1背水面瑞典圆弧法1.406毕肖普法1.457临水面瑞典圆弧法1.577毕肖普法1.786工况2背水面瑞典圆弧法1.25毕肖普法1.419临水面瑞典圆弧法2.622毕肖普法3.223围堰内无堆载背水面瑞典圆弧法1.365毕肖普法1.592围堰内有堆载工况3临水面瑞典圆弧法1.203毕肖普法1.435