京杭运河高邮城区段东侧大堤洪水期稳定性研究

陶小三，袁宝远，程 岩，王金艳

（1.江苏省地震工程研究院，江苏 南京 210014；2.河海大学，江苏 南京 210098）

京杭运河高邮城区段东侧大堤洪水期稳定性研究

陶小三1，袁宝远2，程 岩2，王金艳1

（1.江苏省地震工程研究院，江苏 南京 210014；2.河海大学，江苏 南京 210098）

京杭运河高邮城区段西侧为高邮湖，东则为高邮市城区，高邮湖是座“悬湖”，京杭运河是条“悬河”，防洪形势严峻，京杭运河高邮城区段东侧运河大堤的稳定性关系到高邮市及里下河地区的安全。采用Geo-Studio软件和FLAC3D有限差分软件，运用极限平衡法和数值分析法，通过应力场与渗流场的耦合分析，研究东侧运河大堤在洪水期的天然工况、基本地震动地震工况的稳定性，有其重要的防灾减灾意义，以期对地震灾害的预防和后果控制有所借鉴。分析结果表明，天然工况下，大堤是安全的；地震工况下，大堤是不安全的，建议后期加固时，采取必要的工程措施。

堤坝稳定性；流固耦合；Geo-Studio；FLAC3D；高邮

P315.63

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.002

1674-8565（2017）04-0007-07

江苏省重大基础设施安全保障协同创新专项资金资助项目（2014-07）

2017-05-20

2017-10-07

陶小三（1976-），男，江苏省南通市人，毕业于河海大学，硕士，高级工程师，现主要从事地震工程等方面的研究工作。E-mail：txs3880@163.com

0 引言

京杭运河世界文化遗产，是世界上最长的古代运河，它沟通海河、黄河、淮河、长江和钱塘江五大水系，全长1747km。京杭运河对中国南北地区之间的经济、文化发展与交流，特别是对沿线地区工农业、经济的发展和城镇的兴起起到了推动作用。

京杭运河高邮段在公元前486年开筑，公元前175年形成高邮运盐河，是隋唐大运河、京杭大运河的一部分，历经多次疏浚、整治，现南北全程长44km（图1），这也是河面最宽、河床最深的一段。京杭运河高邮城区段为地上悬河，其西侧为高邮湖，东侧为高邮市城区。高邮市由于特有的地理位置，多次饱受洪涝灾害之苦。据史料记载，高邮在1591—1948 年的 357 年间，共发生 127 次大水灾。解放前后，高邮经受了 1931年大水、1954 年大水、1991 年大水、2003 年大水等特大灾害的袭击。1931年夏淮河流域暴雨连绵，洪水期间运河大堤26处先后决堤，高邮及里下河各县尽成泽国，死亡7.7万多人，受灾350万人，故京杭运河高邮城区段东侧大堤（以下简称东侧运河大堤）的稳定性极其重要。

江河堤坝稳定性分析是一项较为复杂的问题，地震作用更是触发堤坝失稳的重要原因之一。本文利用Geo-Studio软件和FLAC3D有限差分软件，基于现场勘探资料，通过应力场与渗流场的耦合分析，研究东侧运河大堤在天然工况、基本地震动（50年超越概率10%）静力工况、基本地震动动力工况的稳定性，有重要的防灾减灾意义，以期对地震灾害的预防和后果控制有所借鉴。

图1 京杭运河高邮段位置图Fig.1 Location map of Gaoyou section of Beijing Hangzhou canal

1 工程概况

高邮市位于苏北平原西南缘，为第四系覆盖区，第四系沉积厚度约180m，上新世以来形成的沉积物厚度约900m，基岩为古近系粉砂层。高邮市区及其邻近地区地质构造比较复杂，分布有多条第四纪活动的断裂，具备发生中强破坏性地震的构造条件。2012年7月20日在江苏高邮、宝应交界发生了M4.9级地震，造成人员伤亡和财产损失。据高邮市城区地震小区划研究报告（2016.12），其基本地震动加速度峰值为0.126g，地震烈度为Ⅶ度；地貌单元为高邮—兴化泻湖积平原，地下土层横向变化较缓。

高邮市地处淮河流域下游、高邮湖畔，高邮湖为江苏第三大湖泊，淮河水经高邮湖南流入长江。京杭运河西侧为高邮湖，东侧为高邮市城区，城区地势较平坦，高程为2.6～5.5m（黄海高程，下同）。高邮湖最高水位9.52m，京杭运河正常水位8.00m，最高水位9.46m。高邮市城区地面高程均低于高邮湖和京杭运河的正常水位，高邮湖是座“悬湖”，京杭运河是条“悬河”，防洪形势严峻。西侧运河大堤位于高邮湖和运河之间，为国家Ⅰ级堤防；东侧运河大堤现为国家Ⅱ级堤防，设防水位为 8.15m，堤高 10.3～11.2m，堤宽 8.0～10.0m。根据《淮河流域防洪规划》，将按照Ⅰ级堤防要求对东侧运河大堤进行加固，设防水位为8.15m，堤顶高12.5m、顶宽不小于8.0m。

研究表明[1-5]，水位上升会对堤坝增加单向应力；同时因水的润滑和渗流作用，会使堤坝潜在滑动面抗剪参数降低，从而导致堤坝稳定性降低；地震作用更易触发堤坝失稳，故本文研究东侧运河大堤在洪水期的天然工况、地震工况的稳定性。大洪水和破坏性地震的发生均为小概率事件，同时发生其概率更小，故地震工况仅研究基本地震动（50年超越概率10%）时的稳定性。地震影响计算方法有拟静力法、动力时程分析法，拟静力法基本原理是将复杂的、不断变化的地震荷载简化成一个恒定的惯性力系，然后附加在研究对象上；动力时程法是直接将动力时程附加在研究对象上。为保证研究结果的可靠性、实用性，通过现场调查、堤坝钻孔勘探、原位测试、土样室内试验等，本文建立了东侧运河大堤二维典型剖面模型（图2），剖面位置见图1，以便系统研究大堤在不同条件下的稳定性。模型参数见表1，土体材料参数见表2、表3，材料1为坝体材料，粘性土层；材料2为可塑粘性土层；材料3为硬塑粘性土层；材料4为便于地震动荷载计算加的辅助硬性层。

图2 洪水位9.5m模型Fig.2 Model of flood level 9.5 m

表1 模型参数

表2 材料参数

表3 土样动剪切模量、阻尼比与动剪应变的关系

2 基于Geo-Studio软件堤坝稳定性模拟分析

Geo-Studio是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件。 Seep/W是渗流分析模块，Slope/W是边坡稳定性分析模块。Slope/W使用极限平衡理论，软件内置多种滑移面搜索方法、孔隙水压力条件、土体本构以及加固组件和荷载工况等，可以对简单或复杂的边坡进行稳定性分析，可以进行边坡失效概率分析、参数敏感性分析等。

极限平衡法是在一定假设条件下，将土体进行条分，然后对划分后的土条进行力和力矩分析，从而计算出边坡的稳定性系数。极限平衡法经过大量学者的研究发展，已成为复杂严苛条件下的计算方法[6]。极限平衡计算方法包括Morgenstern-Price、Corps of Engineers 1、Corps of Engineers 2、Lowe-Karafiath、GLE、Spencer、Bishop、Ordinary、Janbu、Sarma等。本文采用Ordinary、Bishop、Janbu及 Morgenstern-Price共4种方法计算堤坝稳定性，选取最小的稳定性系数作为堤坝的计算稳定性系数，再比较向河流方向滑动和向地面方向滑动的结果，选择低值作为对应工况的最终稳定性系数。

计算结果表明，Janbu法得到的稳定性系数最小，其中向地方向的Janbu数值最小。图3、图4分别是模型在天然工况、基本地震动地震静力工况下，Janbu法计算得出的稳定系数结果图。天然工况下，堤坝稳定性系数为2.362，大于稳定性安全系数1.35，堤坝是安全的；地震静力工况下，堤坝稳定性系数为1.563，大于稳定性安全系数1.35，堤坝也是安全的。

表4 模型计算稳定性系数

图3 天然工况Janbu法稳定系数结果图Fig.3 Stability coefficient diagram of Janbu method in natural condition

3 基于FLAC软件堤坝稳定性模拟分析

FLAC3D是美国Itasca公司开发的一种三维显式有限差分计算软件，能较好地模拟材料在达到强度极限或屈服极限时发生塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏、失稳及模拟大变形问题，现广泛应用于工程地质、岩土力学等领域。

FLAC3D可以采用应力-应变数值分析和强度折减法来研究边坡稳定性，其中强度折减法只提供一个评价指标，相对比较笼统。强度折减法是通过逐步减小材料的强度，使边坡达到极限平衡状态来实现的，对于Mohr—Coulomb破坏准则来说，其基本原理是将岩土体强度指标c（粘聚力）、φ（内摩擦角）值同时除以一个折减系数F，得到一组新的c’、φ’作为材料新的参数进行数值计算，当边坡岩土体符合给定的临界破坏状态判定条件时，对应的折减系数F称为边坡的最小安全系数[7]。

图4 地震工况Janbu法稳定系数结果图Fig.4 Stability coefficient diagram of Janbu method in Basic ground motion condition

FLAC3D对于边坡临界失稳或极限平衡状态的评判，主要有3类评判方法[8-9]：（1）数值计算的收敛性。当给定较大的迭代次数内数值计算无法保证收敛性，表示应力重分布不能满足岩土体的破坏准则和总体平衡要求，边坡破坏和数值计算不收敛同时发生，伴随网格节点位移显著增加，则可认为边坡为极限状态或破坏状态。（2）监控剪应变增量云图或分析位移情况。边坡的破坏一般是岩土体发生剪切破坏引起的，岩土体为塑性材料，无法承受太大的应变。FLAC3D中的剪应变增量云图表征材料发生塑性变形情况，如果剪应变增量云图的等值线贯穿整个岩土体，形成塑性贯通区，则可以判定岩土体发生破坏；但边坡是否稳定，还需分析变形量的大小。剪应变增量较大（绝对值）的部位，为潜在滑动面，变形破坏多沿此处发生；剪应变增量较小或基本没有发生变化的部位，一般不会产生潜在滑动面，因而也不会产生较大的变形和破坏。此外还可以通过分析模型中各部位的位移情况来判断是否破坏。如果变形量较大（达到米级别），超出岩土体的承受范围，则岩土体已发生破坏；若变形量较小（毫米级别），则岩土体未发生破坏。（3）当边坡内某点处的变形随抗剪强度折减系数F逐渐增大而突然增大时，则可认为边坡达到了临界失稳状态。

总体而言，如果出现下列三种情况之一，则可判定岩土体发生破坏：（1）数值计算不收敛；（2）剪应变增量云图出现塑性贯通区，贯穿整个岩土体，且剪应变增量数值较大；（3）变形量超过岩土体承受范围。如果数值计算收敛且出现如下两种情况之一，则说明岩土体稳定：（1）剪应变增量云图未贯穿整个岩土体；（2）变形量在岩土体可承受范围之内。

3.1 天然工况堤坝稳定性分析

因FLAC3D自带的求临界折减系数功能在考虑渗流情况下一般不收敛，故直接手工调整折减系数。本构关系采用f1-isotropic渗流模型、Mohr—Coulomb弹塑性模型。图5为天然工况，在重力及渗流作用下模型剪应变增量云图（折减系数为2）。由图（5）可知，堤坝塑性区没有贯通，剪应变增量很小且为局部，故堤坝在此种状况下是安全的。东侧运河大堤在天然工况下，其折减系数大于2，大于稳定性安全系数1.35，堤坝是安全的。

图5 天然工况剪应变增量云图（折减系数为2）Fig.5 Contour of shear strain increment in natural condition（Reduction factor of 2）

3.2 地震静力工况堤坝稳定性分析

计算重力、渗流再加地震静力作用下的工况，本构关系采用f1-isotropic渗流模型、Mohr—Coulomb弹塑性模型。施加的地震静力分向河流水平方向（X负向）和向地面水平方向（X正向），经比对，施加X正向等效地震静力时，模型的变形稍大，故主要分析此种状况。图6为折减系数为1.35时的剪应变增量云图，大变形计算数据收敛，堤坝临地坡塑性区已贯通，但贯通区剪应变增量仅为3e-3；两坝肩均发生厘米级的水平位移。图7为折减系数为1时的剪应变增量云图，大变形计算数据收敛，两坝肩发生厘米级的变形，塑性区没有贯通，且坝体内部变形量很小。综合分析可知，地震静力工况下，堤坝是安全的。

图6 向地基本地震动静力工况剪应变增量云图（折减系数为1.35）Fig.6 Contour of shear strain increment in the basic seismic static facing the ground direction condition（Reduction factor of 1.35）

图7 向地基本地震动静力工况剪应变增量云图（折减系数为1）Fig.7 Contour of shear strain increment in the basic seismic static facing the ground direction condition（Reduction factor of 1）

3.3 地震动力工况堤坝稳定性分析

FLAC3D可以进行完全的动力分析，本构关系采用f1-isotropic渗流模型、Mohr—Coulomb弹塑性模型；Mohr—Coulomb弹塑性模型为理想弹塑性模型，本文通过FISH语言编程实现剪切模量随应变的非线性变化。边界条件采用模型边界远置和自由场边界；阻尼采用瑞利阻尼；水平向地震动力荷载按相关规范人工造波获得，并进行了滤波、基线校正。

岩土体在动力作用下，其动抗剪强度会比静抗剪强度降低，本文采用相应等效地震作用下的动抗剪强度参数。图8为输入加速度时程、地表面(监测点远离坝体和边界)加速度时程、堤坝坝顶加速度时程图，地表加速度峰值为0.132g，略大于当地基本地震动加速度峰值0.126g；堤坝坝顶加速度峰值为0.220g，二者基本与地震实际情况相符。图9为动力计算模型剪应变增量云图，堤坝临地坡塑性区已贯通且范围较大，贯通区剪应变增量为9e-3，坝肩、两坡面均发生厘米级的水平位移。地震发生后，如果不及时采取加固措施，水会通过振松的坝体发生渗流，从而引发灾害发生。综合分析可知，地震动力工况下，堤坝是不安全的。

图8 基本地震动动力工况加速度时程Fig.8 Acceleration time history in the basic seismic dynamic condition

图9 基本地震动动力工况剪应变增量云图Fig.9 Contour of shear strain increment in the basic seismic dynamic condition

4 计算结果分析与对比

根据极限平衡法计算，天然工况堤坝稳定性系数为2.362，大于稳定性安全系数1.35；基本地震动工况为1.563，略大于稳定性安全系数1.35。但极限平衡法施加的是地震静力，并且地震静力单向加载，地震静力只加在潜在滑体内。没有考虑土体本身的应力—应变关系，以及滑体外的地震静力作用是该计算方法的主要缺点，所以利用极限平衡法计算地震静力作用稳定性系数稍偏高。

利用FLAC3D数值计算，天然工况强度折减系数大于2.0，此种工况下堤坝是安全的。基本地震动地震静力工况下，两坝肩发生厘米级的变形，但坝体内部没有破坏，故堤坝是安全的。基本地震动动力工况下，堤坝处于明显不稳定状态，究其原因是地震动力作用下，坝体土和可塑性粘性土的动抗剪强度参数比静抗剪强度参数偏小；震动会造成土体孔隙水压上升，有效应力降低；且堤坝地震响应有明显的放大作用，最终导致堤坝产生较大塑性变形；如果震后不及时加固，堤坝会产生更大的破坏，进而导致灾害发生。

综上所述：在天然工况下，堤坝稳定性状态良好；在基本地震动静力工况下，堤坝出现局部塑性破坏，但整体是安全的；在基本地震动动力工况下，堤坝处于明显不稳定状态。但所有计算都是施加的水平向地震荷载（即垂直于坝体），当实际地震动加速度方向与水平方向不一致时，地震的破坏作用会有所减缓。

5 结论

本文采用Geo-Studio软件和FLAC3D有限差分软件，运用极限平衡法和数值分析法，通过应力场与渗流场的耦合分析，研究了东侧运河大堤在洪水期多种工况的稳定性。

（1）天然工况和地震静力工况，两种软件计算结果基本一致，为堤坝稳定性分析提供了一个较好途径。FLAC3D软件考虑了材料的变形，安全系数更加保守，一般要小于极限平衡法计算结果。

（2）东侧运河大堤在天然工况下，堤坝稳定性状态良好；地震工况下，堤坝是不稳定的。

（3）为提高堤坝的防震能力，减轻未来的地震灾害，建议东侧运河大堤后期加固时，采取必要的工程治理措施，如堤坝顶部硬化、堤坝坡面加护坡等。

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Study of East Levee Stability at Gaoyou Section Beijing Hangzhou Canal During Flood Period

TAO Xiao-san1，YUAN Bao-yuan2，CHENG Yan2, WANG Jin-yan1

（1. Institute of Earthquake Engineering of Jiangsu Province，Jiangsu Nanjing 210014，China;2. Hohai University，Jiangsu Nanjing 210098，China）

Gaoyou section of Beijing Hangzhou canal is located on the east side of Gaoyoulake,tothe East is Gaoyou city. Gaoyou lake is a "perched lake", the Beijing Hangzhou Canal is a“ perched River”,flood situation is grim, The stability of the Eastern canal levee in the Gaoyou is related to the safety of the Gaoyou city and Lixiahe region. By using Geo-Studio software and FLAC3Dfinite difference software,the limit equilibrium method and numerical analysis method are used, Through the coupling analysis of stress field and seepage field , research the Eastern canal levee during flood period , The stability of natural condition ,basic ground motion condition. It has important significance to the prevention of disaster prevention and mitigation, and the consequences of the earthquake disaster control reference.The analysis results show that under the natural condition, the levee is safe, under the earthquake condition,the levee is not safe. The author suggests that the necessary engineering measures should be taken in the later period of reinforcement.

stability of the dam; fluid structure coupling; Geo-Studio；FLAC3D；Gaoyou