均质土截流围堰施工安全稳定性验算

刘小虎

(东台市水利建设有限公司，江苏 东台 224200)

何垛河河道拓浚工程计划安排在冬、春季施工，采用筑坝干法施工，但根据工程实际进度，考虑河道跨汛施工。为确保均质土施工截流围堰安全、稳定的运行，对均质土截流围堰的高度、渗流及边坡稳定性进行分析验算，通过分析表明：该结构尺寸的均质土围堰作为挡水建筑物，能够安全稳定的运行，保证河道内施工作业的安全。

1 工程概况

里下河川东港工程主要由川东港、何垛河、丁溪河与车路河等河段构成，全长91.95km。工程主要建设内容为河道开挖、直立挡墙加斜坡及灌注排桩等，其中河道拓挖全长2.8km，边坡比1∶3，河堤设计高程-3.0m，底宽30m；直立挡墙加斜坡全长4721m，挡墙高程0.5～2.6m，斜坡高程-0.5～0.5m；灌注排桩直径1.2m，全长426m，墙顶高程4.0m。

2 均质土围堰设计

根据规范要求，经计算汛期10年一遇高水位为2.78m，安全超高0.5m，考虑波浪爬高及预留沉降0.7m，计算顶高程3.98m。施工围堰设计标准：围堰顶宽5m，顶高程4.0m，背水侧边坡1∶4、临水侧边坡1∶3，并在背水侧设置宽5m的戗台，戗台顶高程2.5m。本标段施工截流围堰填筑区域位于干河桩号15+800、18+270及各支河口处，施工方法采用进占法，施工机械为160型推土机配合220型挖掘机，根据工程地质报告要求选择①1层土料作为截流围堰填筑材料，截流围堰断面形式如图1所示。

3 计算分析

为保证均质土围堰在高水位状态下的安全稳定性，可从如下几方面分析体系的整体性能，即围堰的变形、高度、整体稳定性、基底抗滑性是否满足规范要求，围堰是否发生渗流破坏[1-4]。

3.1 围堰高度验算

依据SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定，对均质土截流围堰顶高程进行验算，计算

图1 土质围堰断面形式

表达式如下：

y=R+e+A

(1)

式中，y—坝顶超高，m；R—最大波浪在坝坡上的爬高，m；e—最大风壅水面高度，m；A—安全加高，m，根据施工坝的等级，查表5.3.1取0.5m。

波浪的平均波高、平均波周期采用莆田试验站公式，其计算表达式如下：

(2)

(3)

式中，hm—平均波高，m；Tm—平均波周期，s；W—计算风速，m/s，根据气象统计资料统计，东台地区全年最大风速为10m/s；D—风区长度，m，按5倍的河道设计宽度260m；Hm—水域平均水深，m；g—重力加速度，取9.81m/s2。

平均波长计算表达式如下：

(4)

式中，Lm—平均波长，m；H—坝迎水面前水深，m。

正向来波在单坡上的平均波浪爬高计算表达式如下：

(5)

式中，Rm—平均波浪爬高，m；m—单坡的坡度系数，若坡角为α，即等于cotα；KΔ—斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型查表A.1.12- 1取0.9；Kw—经验系数，查表A.1.12- 2取1.02。

根据以上公式及参数，施工截流围堰超高计算成果见表1。

表1 施工截流围堰超高计算成果表

截流围堰验证顶高程为防洪设计水位+安全超高，即2.87+0.75=3.62m<设计高程4.00m。综上所述，施工截流围堰设计高程满足安全要求。

3.2 围堰渗流计算

根据地质报告显示，截流围堰填筑在②层土上，②土层主要为灰色淤泥质重粉质壤土，渗透系数5.10×10-6；截流围堰采取①1层土料作为填筑材料，①1土层主要为灰黄、黄灰色轻、中粉质壤土，渗透系数3.65×10-5，上述两种土层渗透系数低，所以该均质土截流围堰渗流计算按不透水地基验算。

根据地质报告分析，川东港沿线钻探所揭示的土层多为细粒土，判定场地土的渗透变形形式为流土型。各层土的垂直向临界水力比降Jcr取决于土的比重Gs和土的孔隙率n%，计算公式为：Jcr=(Gs- 1)(1-n)，以土的临界水力比降除以安全系数(一般取2.0)为允许水力比降。计算得：①1土层临界水力比降为0.91，允许水力比降为0.45；②层土层临界水力比降为0.65，允许水力比降为0.32。

通过渗流分析计算确定渗流量、浸润线及其在下游坝坡的出逸点，求出坝内平均渗透比降，下游坡脚点比降是否满足规范要求[5- 7]。

根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》附录E推荐公式如下：

(6)

L1=L+ΔL

(7)

(8)

(9)

式中，q—单位宽度渗流量，m3/(s·m)；k—堤身渗透系数，m/s；H1—上游水位，m；H2—下游水位，m；h0—下游出逸点高度，m；m1—上游坡坡率；m2—下游坡坡率；L1—渗流总长度，m；L—上游水位与上游堤坡交点距下游堤脚或排水体上游端部的水平距离，m；ΔL—上游水位与堤身浸润线延长线交点距上游水位与上游堤坡交点的水平距离，m；y—浸润线上任意一点距下游堤脚的垂直高度，m；—浸润线上任意一点距出逸点的水平距离，m。

渗流量计算、浸润线分析成果见表2。

表2 浸润线分析成果

下游无水(H2=0)时，渗出点A点、截流围堰坡脚与不透水面交点B的渗透比降分别按下列公式计算：

(10)

(11)

式中，JA—下游无水背水坡A点出口比降；JB—下游无水背水坡B点出口比降。

坝身平均比降：

(12)

由计算成果可知，截流围堰背水坡出逸段、坡脚出逸比及堰身平均比降见表3均小于允许比降，满足渗流稳定条件，故施工截流围堰渗流处于安全稳定运行状态。

3.3 围堰背水坡稳定性分析

围堰背水坡稳定性采用瑞典条分法进行分析，自然界匀质土坡失去稳定，滑动面呈曲面，通常滑动面接近圆弧，可将滑裂面近似成圆弧计算如图2所示[8- 10]。

3.3.1计算参数的选取

截流围堰采取①1层土料作为填筑材料，根据地质报告显示，滑动面上的粘聚力c1=10.1kPa，滑动面上的内摩擦角φ=22.5°，土体比重GS=27.2kN/m3。

3.3.2施工截流围堰滑动面圆心辅助线确定

根据4.5H法确定最危险滑动面圆心辅助线位置，由于围堰上无恒载，故不考虑围堰上的外部荷载，从图2中得到边坡斜度1∶4，边坡倾斜角14.03°，查表得β1为25°，β2为36°，绘图得到圆心辅助线。

3.3.3条分法分析土坡稳定

将滑动土体分成若干竖向土条，土条i宽度按b=0.1R，该土条i上存在着土条自重、作用于土条弧面上的法向反力、作用于土条圆弧面上的切向阻力。根据土坡极限平衡稳定推导出整个土坡相应的滑动面的稳定安全系数为：

(13)

式中，Mr—土条i上的作用力对圆心O产生的稳定力矩；Ms—土条i上的作用力对圆心O产生的滑动力矩；ci、φi—滑动面上的粘聚力及内摩擦力；Wi—土条i自重。αi—土条i滑动面的法线与竖直线的夹角；li—土条i滑动面ef的弧长；n—土条分条数

多次计算成果见表4，当圆心坐标x=5.16、y=19.17、滑动圆弧半径R=19.85时，所对应的滑弧为最危险的滑动面，其稳定安全系数为2.46，根据SL 645—2013《水利水电工程围堰设计规范》表6.5.1土石围堰边坡稳定安全系数表4、5级围堰稳定安全系数不小于1.05，由上述计算知，截流围堰边坡稳定安全系数大于规范规定值，截流围堰边坡处于稳定状态。

图2 围堰背水坡滑动面计算图

表4 截流围堰背水坡滑动面稳定分析计算表

4 结论

本文分析均质土截流围堰处于不透水地基，但在实际施工中截流围堰填筑采用“进占法”施工，将截流围堰下的淤泥质土排挤到围堰两侧，在河床积水排除后、戗台填筑前，须将围堰背水侧淤泥清理干净，保证整个截流围堰处于不透水地基上，是分析均质土截流围堰安全稳定运行的前提。通过对截流围堰顶高程复核、渗流稳定计算、边坡稳定性分析以及截流围堰在工程施工期间的实际运行情况，未发生不安全状况。上述工程技术对均质土围堰安全稳定分析方法，可为其他类似工程的围堰方案设计和安全稳定性分析提供一定参考依据。