松干堤防加高培厚工程土工格栅加筋稳定性研究

2018-08-02杨永森郭丰华原晓军王远明邱流潮

中国农村水利水电 2018年7期

杨永森，郭丰华，原晓军，王远明，邱流潮

(1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2. 黑龙江省三江工程建设管理局，哈尔滨 150081)

0 引言

我国早期建设的河道堤防由于防洪标准低，存在堤身断面不足、防渗能力较差等问题，相比重建，堤防的加高培厚更加经济、效率[1]，但由于新扩建堤防修建时间以及填筑土料与已建堤防不同等原因，加高培厚后的堤防往往容易发生沉降，使堤防产生裂缝、破损，影响堤防稳定安全，引起堤顶高程降低，防洪水平下降，进而引发渗漏、溃坝等灾害。近年来，国家投入巨大的人力物力财力，提高堤防工程的防洪标准，堤防加高培厚方面已有不少工程实践经验，也提出了一些施工技术及方法。尤其是较为薄弱的新老堤防结合面，李昂等[2]提出了合适的开挖台阶的高宽比范围以及下密上疏的台阶布置形式，使得新老堤防结合面的加固效果较好。刘志刚等[3]通过堆载预压的方式减少了新老路基的差异沉降。王世琦[4]介绍了不同的堤防形式，如均匀堤形、复式堤形、防洪墙式堤形的加高培厚施工技术。谷春光等人[5]从土料控制、施工管理及施工质量控制等方面介绍了黄河下游的堤防工程加高培厚的经验。鲁有铭[6]提出采用低位真空预压法加快软弱地基固结，提高地基承载力，减小新老堤防的差异沉降。黄扬一[7]提出堤防加高培厚如果处理不当，会出现渗透比降增加、岸边工程稳定性下降等问题，因此在施工过程中需要重视堤基的渗控处理。另外，赵婷等[8]、谭界雄等[9]以及张仲卿等[10]均结合实际工程对新老堤防加高培厚的结合面控制提出了相应的措施。

其中，土工格栅以价格低廉、施工简便，施工周期短的特点，在不同领域处治不均匀沉降有了广泛的使用，达到了不错的效果。吴波等[11]、Juha Forshman等[12]、杨茂等[13]分析了高速公路改造扩建项目中土工格栅的作用，表明了土工格栅能够有效地提高路堤的整体稳定性，减小新老路基的不协调变形；Huang等[14]对土工格栅加固堤防的效果进行了有限元分析，得出土工格栅能够减小变形提高堤防稳定性的结论。在实际堤防加高培厚工程中，处治新老结合问题，大多采用台阶开挖和铺设土工格栅共同使用[15]，同时配合施工中严格控制压实度，能够达到很不错的效果。不仅增加新老堤防的接触面积，提供侧向约束，承担竖向荷载产生的水平力，从而减小新老堤防之间的不均匀沉降。

虽然国内已实施了一些堤防、土石坝加高培厚工程，但在设计施工中大多倚重于工程经验，而缺乏理论分析和系统化的加固措施和计算方法。公路工程中新老路基结合的相关研究较多，但公路路基不考虑防洪的要求，其工作条件、受力特点、填筑土质等均与堤防有较大差别，不能直接套用到新老堤防结合的问题上。因此对新老堤防结合问题仍需要深入研究，进而提出系统的设计方案和施工方法。

1 松干堤防加高培厚工程实例分析

1.1 工程概况

松花江干流第九标段新发新农堤，全长16.57 km，防洪标准为50年一遇，堤防级别为2级。新发新农堤对哈尔滨市区经济的发展和人民生活安定有着至关重要的作用，且现存堤防不满足目前防洪要求，提高堤防标准极为重要，因此，选取6+900作为典型断面进行加高培厚稳定性及加筋的影响分析。

1.2 原始堤防的最经济断面

针对原始堤防的典型断面(图1)，原坡比为1∶3，不断增大坡比，为后期断面优化提供建议的同时，坡比增大开挖后的土还可以直接用于堤防的加高培厚工程。

图1 松干堤防第九标段典型断面(单位：m)Fig.1 The typical sections of the ninth section of the Songhuajiang main stream embankment

根据新发新农堤防保护对象的重要性，按照《防洪标准》[16](GB50201-2014)和《堤防工程设计规范》[17]，堤防工程设计防洪标准为50年一遇，堤防工程级别为2级，规范要求的安全系数最小为1.25。对典型断面的坡比进行处理，直至安全系数值接近1.25。运用有限元法进行模拟，选取摩尔库伦本构模型，材料参数如表1。

表1 土体的材料参数Tab.1 Material parameters of soil

从图2可得出，随着坡比的变大，安全系数在不断下降，而且可以发现下降形式基本呈线性关系，表明坡比与安全系数成负相关关系。取原始堤防最经济断面的坡比为1∶1，安全系数为1.33，满足规范要求，此时堤防截面面积从原来的121.5 m2减小为40.5 m2，仅为原来截面面积的33%。

图2 不同坡比的堤防安全系数Fig.2 Safety factors of dikes of different gradients

1.3 开挖台阶高度对堤防稳定性影响

根据《堤防工程设计规范》[17]要求，土质堤防进行加高培厚时需要进行开挖台阶的处理，结合规范要求，分析开挖相同高宽比的台阶的情况下，高度对堤防稳定性的影响。根据工程实际情况，加高2 m，背水坡培厚2 m的工况下进行开挖处理。h表示开挖台阶的高度，H为堤防的原始高度。

图3 不同开挖台阶高度的堤防安全系数Fig.3 Safety factors of embankments of different bench excavations

在计算中用到了ABAQUS中的生死单元功能[18]进行台阶开挖的模拟。由图3可以得出，在相同加高培厚的情况下，开挖相同的高宽比台阶，开挖台阶的高度越大，安全系数越大，越有利于加高培厚堤防稳定性的提升。

1.4 加高高度对堤防稳定性影响

在原堤防的基础上进行加高处理，加高示意如图4，培厚2 m，保持原来的坡比不变，从加高0.4 m开始逐层进行增加加高高度，直至2 m，台阶按照原坡度等比例开挖。h0表示加高高度，H为原堤防高度。

图4 堤防加高示意图(单位：m)Fig.4 Schematic diagram of the hightening embankment

由图5得出，堤防的高度对稳定性的影响较大，堤防高度加高高度为原来的22%时，安全系数下降了0.48。若保持原来的宽度不变，随着堤顶的不断加高，滑移面会贯穿整个堤顶，所以在实际的工程中在遵循堤防施工技术规范的基础上，同时考虑扩宽堤防堤顶宽度，以防止滑裂面贯穿造成的巨大损失。

图5 不同加高高度的堤防安全系数Fig.5 Safety factors of different heightening embankments

1.5 培厚厚度对堤防稳定性的影响

堤防培厚如图6所示，为了防止加高的高度比较大，造成培厚时堤顶宽度不够，故堤顶加高0.4 m，培厚值依次是0.4、0.8、1.2、1.6、2 m，台阶按照h/H=0.2进行开挖。

图6 堤防培厚示意图(单位：m)Fig.6 Schematic diagram of the thickening embankment

图7 不同培厚值的安全系数Fig.7 Safety factors of different thickening embankments

由图7可得，保持原来堤防坡度不变，培厚值的变化对堤防安全系数的影响很小，培厚厚度从0.4 m增加至1.6 m，安全系数几乎不变，培厚值增加至2.0 m，安全系数才有了较大的增加，培厚厚度从0.4 m增加至1.6 m，只增加了约0.06，培厚对堤防的整体稳定性的影响不是很大，但在实际工程中也不可或缺，可以扩大堤防断面，提高防洪标准。在下一步设置最优经济断面时，培厚厚度只需满足堤防设计规范要求即可，不必过大的培厚，以减少土方的用量。

1.6 加筋对堤防稳定性的影响

对堤防进行开挖，并在台阶上加筋，分析加筋对堤防稳定性的影响。采用土工格栅进行加筋处理，其弹性模量为38.7 GPa，泊松比0.33，筋材厚度为5 mm。加筋位置如图8所示，以台阶高度为h/H=0.2为例，每个台阶都铺设筋材，除第一层筋材贯穿整个堤防外，其他层筋材均为左端至台阶角处，右端到达堤防坡面。

图8 加筋示意图(单位：m)Fig.8 Schematic diagram of reinforcement

由表2得出，加筋后的安全系数有了较大的提升，最高达到37%(h/H=0.11台阶)，单纯的开挖台阶对安全系数的提升十分有限，但通过加筋的方式可有效地提高安全系数。并且滑裂面的位置由于筋材的束缚作用也发生了变化，向左发生了移动，如图9所示，滑裂圆弧接近筋材的最左侧。

表2 加筋后的安全系数Tab.2 Safety factors of reinforcement embankments

图9 h/H=0.16时的滑裂面Fig.9 Slip surface of the embankments of h/H=0.16

考虑倾斜加筋对稳定性的影响，同水平加筋一样，依然选取h/H=0.2的台阶，筋材最右端延伸至堤防的坡面，每个台阶筋材取8 m，倾斜角度为筋材与水平面之间的角度，如图10所示。

图10 倾斜加筋示意图(单位：m)Fig.10 Schematic diagram of inclined reinforcement

水平加筋时(h/H=0.2台阶)第一层筋的长度为14.32 m，贯穿了整个堤防，其他层为11.72 m，而倾斜加筋第一层筋的长度为8 m，安全系数由3.14降至了2.71。由图11可得，倾斜加筋可提高堤防安全系数，倾角15°左右时安全系数最高，但超过30°后倾斜加筋效果不如水平加筋，这与文献[19]中加筋土三轴模型实验结果趋势吻合。在实际工程中倾斜加筋可以采用，但要采用合理的倾斜角度，才能达到较好的加筋效果。

图11 不同倾斜角度加筋的安全系数Fig.11 Safety factors of different inclined reinforcement embankments

1.7 加高培厚堤防优化方案

基于以上对削坡、开挖台阶、加筋对堤防稳定性影响的分析，总结了以下几个原则，用于加高培厚断面优化。

(1)满足《堤防工程施工规范》(SL260-2014)[20]要求，主要满足规范要求的加高值、安全系数值、堤防宽度等，最大程度减少用地面积与土方使用量。

(2)开挖台阶高度越大、安全系数越高。加筋条数越多，安全系数越高。培厚厚度对稳定性影响很小，即堤防宽度满足基本需要即可，加高高度对堤防稳定性影响较大。

(3)加筋倾斜角度较小时可以一定程度上提高稳定性，并且筋材嵌入老堤的长度尽可能的长。

结合以上原则提出松干堤防加高培厚工程优化方案，以供其他工程参考，如下。

(1)对原始堤防断面进行优化，第一步进行削坡处理，将原始边坡削至1∶1，削坡的土方用于加高培厚工程。

(2)计算削坡后的单位长度产生的土方量，进行加高培厚，选取规范中的堤防最大加高值1.5 m进行加高。

(3)限制培厚厚度，该工程是2级工程，规范要求堤防宽度不能小于6 m，根据堤防宽度选择培厚厚度。

(4)开挖台阶数目选用9个，h/H=0.11，并在每个台阶上进行加筋处理。

原始堤防最经济断面安全系数为1.33，经过坡度不变加高1.5 m后，稳定性大幅度下降，安全系数降至1.08，已不满足二级堤防的稳定性要求，加筋处理后安全系数提升至1.63，提升效率达到近60%，加筋的效果十分明显。基于提出的加高培厚堤防的优化方案，经过加筋处理后，堤防坡比优化为1∶1.37，安全系数从1.08提升至1.63，土地使用面积减小了36.9%，单位长度(1 m)加高培厚工程所需土方量减少约20 m3。

2 加筋堤防固结沉降分析

基于以上提出的优化后堤防断面进行固结沉降分析，为了进一步计算加筋效率的问题，对优化断面开挖四个台阶(h/H=0.25)的方式。筋材(6.25 m)的铺设左边顶到开挖台阶的直角处，右边到培厚坡面边缘，如图12所示。

图12 优化加筋堤防示意图(单位：m)Fig.12 Schematic diagram of the optimized embankment

有限元模型基本假设如下。

(1)假定土体包括堤身土、地基土，均为理想弹塑性体[21]。

(2)土工格栅(筋材)均按线弹性[22]，力学指标为弹性模量和泊松比。

(3)边界条件地基底面为水平和竖直两个方向约束，地基两侧水平方向约束。

2.1 开挖及加筋对沉降的影响

针对开挖加筋，设置开挖加筋、开挖不加筋、不开挖加筋、不开挖不加筋4种工况进行计算。图13为开挖加筋工况的沉降云图，开挖加筋可以有效的减少新堤整体的沉降值，仅开挖台阶也可以减小最大沉降值。

图13 开挖加筋云图Fig.13 Nephogram graph of embankment of excavation and reinforcement

由图14可得，开挖加筋可在一定程度上减小堤防的侧向位移图，同样仅开挖对侧向位移的影响较小，配合加筋可以更有效的减小侧向位移。由图15可得，开挖加筋、不开挖加筋、开挖不加筋、不开挖不加筋四种工况的沉降值分别为12.45、12.89、14.54、15.06 cm，相对于不开挖不加筋前三种分别可以减少沉降17.33%、14.4%、3.45%，可以看到开挖及加筋都减少沉降，但是加筋的作用比开挖台阶更强，开挖和加筋共同作用效果最好。

图14 不同开挖加筋形式的堤顶侧向位移Fig.14 Lateral displacement of embankment with different excavation and reinforcement forms.

图15 不同开挖加筋形式的堤顶沉降Fig.15 Settlement of embankment with different excavation and reinforcement forms

2.2 筋材不同铺设层位的效果分析

铺设土工格栅可分为铺设1层、铺设2层、铺设3层及全铺(铺设4层)4种情况；对于不同的铺设层数，又分别有铺设位置的不同。因此，需要对这几种情况进行分析，确定铺设的最佳位置。基底定为第4层、由上向下台阶分别为第1、2、3、4层。

对于铺设1层土工格栅选择四种铺设组合,分别为第1、2、3与第4层铺设；对于铺设2层土工格栅，有6种铺设组合，分别为第1和2层、第1和3层、第1和4层、第2和3层、第2和4层、第3和4层；铺设3层土工格栅，选择3种铺设组合，分别为第1和2和3层、第2和3和4层、第1和3和4层；铺设4层土工格栅，只有一种情况，为4层全铺设。

2.2.1 铺设一层筋

从图16可得，铺设1层筋材时在一定程度上也能减小沉降值，从铺设层位1到4，最大沉降值分别为14.27、14.08、13.92、13.59 cm，相对于开挖不加筋的最大14.54 cm，分别减小了1.86%、3.16%、4.26%、6.53%。故筋材铺设于越下层，则新老堤防差异沉降越小。

图16 铺设一层筋的堤顶沉降Fig.16 Settlement of the one-floor reinforced embankment

当铺设于最底层时差异沉降相比无筋材时，减少的幅度最大，即基底筋材的铺设对减小堤防的差异沉降有较好的作用，而铺设于较上层对降低差异沉降的贡献并不大。土工格栅通过与堤防填土的摩擦作用，承受了堤防内部拉力，使堤防荷载均匀化，减小了不均匀沉降，约束了堤防的水平变形，同时使得堤防的整体性加强。

2.2.2 铺设两层及三层筋时

铺设两层筋材时，堤防顶面沉降较无筋材时有明显的减小，铺设在第1、2层时的最大沉降为13.8 cm，铺设在第1、3层时的最大沉降为13.7 cm，铺设在第1、4层时的最大沉降为13.65 cm，铺设在第2、3层时的最大沉降为13.6 cm，铺设在第2、4层时的最大沉降为13.4 cm，铺设在第3、4层时的最大沉降为13.16 cm；铺设在第3层和第4层时效果最好，其次为铺设在第2层和第4层，而铺设在堤防上部的效果要差一些。相比无筋铺设，铺设在第3、4层时的最大沉降由14.54 cm减小到13.16 cm，减小了8.96%。

铺设3层筋材时，堤防顶面最大沉降减小幅度比铺设1层和两层的明显。其中，铺设在堤防第2、3、4层的效果最好，堤防顶面最大差异沉降由无筋时的14.54 cm减小到12.58 cm，减小了13.48%；铺设在堤防第1、2、3层的效果较差，最大沉降为12.8 cm，相比无筋减小了11.97%；而铺设在堤防第1、3、4层的最大沉降为12.7 cm，相比无筋减小了12.65%。

2.2.3 铺设不同层位时的工况分析

由2.2.1和2.2.2节可知，加筋层数和位置对加筋的效果有一定影响，对比分析不同层数加筋中对堤防沉降影响最大的铺设方式，分别为铺设第4层，铺设第3、4层，铺设第2、3、4层，四层全铺设，如图17所示。

图17 铺设不同层位筋材时的堤防顶面沉降Fig.17 Settlement of the two-floors reinforced embankment

加筋位置越靠近堤防底部，降低堤防最大沉降的效果越明显。加筋层数多比加筋层数少效果明显，加筋1层、2层、3层、4层时比不加筋时堤防顶面沉降分别降低了6.53%、9.49%、13.48%和14.37%。说明开挖并加筋能明显降低堤防的差异沉降，要比只开挖台阶不加筋效果要好，能够很好的提高堤防的整体稳定性。但铺设4层仅比铺设3层的，提高了1.11%，提升效果不是很明显，在实际工程应用中，应综合考虑经济及工程效益，合理选择加筋处治方案。