大同圩堤防出险段加固设计

薛　龙

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥　230000)



大同圩堤防出险段加固设计

薛龙

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥230000)

文章介绍了大同圩堤防的出险情况，并采用刚体极限平衡法、有限元法计算了该段堤防的稳定状态，模拟出堤身内力场分布规律和塑性应变范围，提出了可靠的加固措施。

抗滑稳定；刚体极限平衡法；有限元法；塑性应变

2012-10月，汛后对大周圩检查发现桩号5+470～5+510段在堤顶沿堤轴线方向(主要靠近内堤肩)发生开裂，裂缝长度近40m，缝宽20mm～30mm，裂缝的两端均以弧形状向堤外坡延伸。11月对该段堤防进行了详细的计算分析，提出了处理方案，2012年汛前完成加固。

1　存在的主要问题

堤防出险段堤基位于原圩区一老河汊，该堤段地势低洼，堤基软弱，自地面以下有较厚淤泥质粉质壤土层，存在的主要问题如下：

(1)堤基稳定问题。堤基下②2层淤泥质粉质壤土，厚度达22m，呈流塑，局部软塑状，在堤身及堤顶重载车辆的作用下，容易压缩变形，从而影响到堤身稳定。②2层淤泥质粉质壤土在外坡脚近乎直接出露，堤脚临水，汛期直接受水流冲刷、迎流顶冲，形成浪坑、浪孔，对抗滑稳定不利，导致堤身滑坡、开裂等险情产生。

(2)堤身岸坡稳定问题。该段堤防主要修建在第四系冲积平原上，大部分堤身与堤基的接触部位富含有机质残骸，结构松散、孔隙较多，渗透性较强，表层为后期加固的黏性土，渗透性较小。汛期堤身土体孔隙中赋存水量较多，汛后难以渗出，从而产生较大的动水压力，加之岸坡较陡，水位下降时堤身岸坡土体发生蠕变，导致堤身产生裂缝。

2　加固措施

根据地形和地勘资料，采取的加固措施如下：① 堤防外坡增设反压平台长100m，原外坡脚干砌石护坡拆除后恢复；②沿堤顶裂缝挖槽至裂缝底部，清除土方后重新回填；③增设内坡平台长200m。

3　稳定计算分析

3.1抗滑稳定分析

(1)刚体极限平衡法。采用Slope程序，根据瑞典条分法原理计算堤防断面的完建期、稳定渗流期和水位降落期的抗滑稳定安全系数，地层参数采用地勘报告推荐的指标计算，计算成果如表1所列。

表1　堤防断面抗滑稳定安全系数计算成果表

由表1可见，加固前堤防稳定安全系数在完建期及稳定渗流期均满足规范要求；但外坡水位降落期安全系数在1.0附近，不满足规范要求，坡面滑动处在临界状态，容易失稳。通过增设内外坡平台等措施加固后各工况计算结果均满足规范要求。

(2)有限元法。土体的数值分析方法考虑土体应力应变关系，克服了极限平衡方法完全不考虑土体本身的应力-应变关系的缺点，为边坡分析提供了一种更全面的分析方法和手段。有限元法是数值分析方法中发展最快的一种，它可以考虑土体的非均匀性、各向异性、非连续性及非线性等，适用于各种实际的边界条件。应用ANSYS程序进行有限元分析，应力及塑性应变成果分别如图1和图2(图中的单位：应力Pa，位移m)所示。

图1　堤防加固前、后Y方向应力云图

图2　堤防加固前、后塑性位移云图

分析图1与图2可见，① 深层应力、应变的影响。从深层应力及塑性应变云图看，应力值一般在132～267kPa范围以内；经多年预压固结，塑性应变值一般在0.03m范围以内，不会造成深层滑动。② 加固前后塑性应变区变化。加固前最大塑性应变为0.0287m,加固后为0.0215m,减小幅度为25%，且加固后塑性发生范围缩减20%左右。由于塑性变形不仅和堤身位移有关，更直接关系到堤身的稳定问题。因此，加固后堤身的稳定性得到显著提高。

3.2渗流稳定分析

采用AUTOBANK程序进行计算，外河水位采用设计洪水位，堤基坡脚处渗流的最大出逸比降为0.139，堤后出逸点高度0.11m。堤身、地基均为粉质壤土，渗透变形的类型为流土型。堤身及地基的水平渗流坡降最大值为0.19，小于容许渗流坡降值，渗流是稳定的。出逸段与背水侧堤基表面的出逸比降最大值为0.139，小于容许出逸坡降0.30，堤后坡脚渗流稳定。从堤防建成至今未发现堤基深层管涌等险情来看，堤基深层渗流稳定。

3.3沉降稳定分析

(1)运行期堤身沉降量计算。采用AUTOBANK程序计算因汛期及汛后水位变化造成的堤身沉降值。现状堤身在外水位及堤身浸润线变化前后发生的沉降量为11mm，沉降值较小。采取工程加固措施后，相应沉降量降低为7mm，减少幅度为36%，有利于堤身的稳定。

(2)有限元分析。采用ANSYS程序，模拟计算汛后水位变化造成的堤身沉降值。加固前堤身在水位变化后的沉降量为12mm，加固后相应沉降量为8mm，减少幅度为33%，加固措施对堤身稳定有利。

3.4险情原因分析及加固结论

根据上述计算，结合现场地形地貌及对本段堤防险情原因的分析，其加固措施评价如下：①该堤段位于老河汊深厚软基段。自2000年加固以来，堤防表面加培一层粘性土层，受原老河汊地势影响，外河滩地较陡，外坡脚地面高程由9.5m左右降低为7.5m，坡面易失稳。②现状堤防外。其坡在水位降落期稳定安全系数约为在1.0，堤防稳定性差，不满足设计规范要求，堤身浸润线下降时，上游坡面处于滑动的临界状态，导致顶部首先产生裂缝。③渗流稳定满足设计规范要求。④深层塑性应变。从深层塑性应变云图看，一般不会造成深层滑动。经多年预压固结，堤防总沉降已基本稳定，变位总体趋缓，塑性应变值一般在0.03m范围以内，不会造成深层滑动。⑤堤防边坡的内外坡脚。适当增设压稳平台后，堤防内外坡各运行工况下稳定安全系数满足规范要求，堤防沉降量减少幅度达30%以上，有利稳定。本次除险加固采取的内外坡脚填筑压稳平台措施是合适的。

4　结束语

通过多种方法对大同圩出险段堤防的稳定状态进行计算分析，模拟应力应变云图，直观反应了各种工况下堤身及堤基的内力场分布规律、塑性应变的大小及范围，相互验证了各种分析方法是合理的，得到的计算成果符合实际，为该工程的加固处理措施提供了可靠依据，可为类似工程的加固提供一定参考。通过3年来的汛期考验，以及变位监测等，大堤未发生异常情况，边坡稳定，发挥了应有的效益。

[1]GB 50286-2013，堤防工程设计规范[S].

[2]卢廷浩.土力学(第2版)[M].南京：河海大学出版社，2011.

[3]钱家欢，殷宗泽.土工原理及计算(第2版)[M].北京：中国水利水电出版社，1996.

[4]安徽省水利水电勘测设计院.江南产业集中区大同圩堤防5+470～5+510段除险加固工程设计报告[R].2011.

(责任编辑胡进)

Reinforcement design of Datongwei Levees dangerous section

XUE Long

(Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower，Hefei 230000,China)

This paper introduces the dangerous condition of the Datongwei levee,using the rigid limit equilibrium method and finite element method to analyze the steady state of the levee,in this way to simulate the distribution of internal forces field and plastic strain range,and proposes a reliable reinforcement measures.

stability against sliding；rigid limit equilibrium method；finite element method；plastic strain

2016-05-03；

2016-05-08

薛龙(1984-)，男，安徽萧县人，工程师，主要从事水利工程设计工作。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.03.012

TV871

A

1671-6221(2016)03-0038-03