细陂河堤防淤泥质地基沉降特性模拟分析

(广州筑正工程建设管理有限公司，广东 广州 510000)

1 工程概况

细陂河是一条跨萝岗区、黄埔区和增城市的河流，上中游流经萝岗区和黄埔区的工业区，下游流经增城市新塘镇，属于温涌的一级支流，东江北干流的二级支流。细陂河发源于萝岗区尖塔山长坑分水岭，细陂河与牛屎圳汇合后称水南涌，往东流至夏浦，与凤凰水汇合后分流至温涌和水南支涌左右两条河涌。温涌自北向南流经圳坦、糖寮尾，于西洲建材厂流入东江北干流，温涌涌口设有石沥口水闸。水南支涌向西南方向弯曲流过新塘镇，过水南水闸流入黄埔区，流经南岗物流基地南侧，于南岗河口附近汇入东江。温涌流域总面积40.93km2，其中细陂河流域面积13.13km2(黄埔区境内流域面积1.29km2)，黄埔境内细陂河流域呈狭长形。黄埔区细陂河整治的任务是以城市防洪、排涝为主，兼顾河涌沿岸的环境美化、城市发展、旅游景观、生态保护等多种功能进行综合整治。细陂河全长11.01km(黄埔区境内长约3.3km)，此次细陂河整治工程的起点为广深公路 (黄埔区与增城市的分界线)，终点为广深高速公路下游200m(黄埔区与萝岗区的分界线)，细陂河按20年一遇的防洪标准进行整治，其中右岸整治长度3501m，左岸整治长度3311m，堤防工程级别4级，主要建筑物级别为4级，临时建筑物级别为5级。堤基主要为淤泥、淤泥质土、粉细砂等，强度低。

由于堤基范围内存在淤泥、淤泥质土，存在不均匀沉降问题，会导致堤防变形过大，甚至破坏[1-5]。因此，选取该段河道治理工程中有代表性的水闸堤防及其结合处进行数值模拟，该处淤泥质地基采用简单的地基处理措施，以期分析出堤防在填筑施工过程中的已经处理后的淤泥质地基沉降特性，为该工程堤防的填筑施工提供科学依据，也为此类地基上的堤防工程施工提供有益的借鉴。

2 数值模型的建立

2.1 计算模型的范围

选取有代表性的堤防部位，整个水闸、堤防横断面的长度为122m，堤防段采用间距为1.40m的塑料排水板进行地基处理。此次选取中轴线剖面，根据对称性，取一半为计算模型，模型宽64m，高87.30m，水闸段长23m，堤防段长20m，两者之间的连接段长16m。根据设计图纸，水闸、堤防和连接段高度按照7.30m取值，将CAD中的设计剖面导入到MIDAS GTS 软件中，建立几何计算模型(见图1)。

图1 几何计算模型范围

2.2 地基土计算参数

在数值模型计算深度(80m)范围内，共有8层主要地层，为了模拟地基土的固结沉降情况，选用莫尔-库仑本构模型，根据地勘报告和压缩及三轴试验确定计算参数(见表1)。

表1 各地层计算参数

2.3 桩体及排水板计算参数

根据设计方案，连接段采用长为15m、桩径为0.60m、桩间距为0.40m的水泥搅拌桩进行地基处理，水闸段采用长为39m、桩径为1m、桩间距为1.50m的钻孔灌注桩进行地基处理，堤防段采用深为25m、宽为100mm、厚为5mm、间距为1.40m的呈正方形布置的塑料排水板进场地基处理，处理宽度范围43.40～58.80m，采用砂井参数并考虑井阻、涂抹和竖向、横向渗流等效应来模拟塑料排水板。桩体及材料计算参数见表2，塑料排水板参数见表3。

表2 桩体及材料计算参数

表3 塑料排水板等效计算参数

2.4 网格及边界条件

采用栅格划分网格，共划分16720个单元，16456个节点(见图2)。根据现场实际情况和以往数值模拟的经验，模型的边界条件为：模型的左边和右边边界为水平方向约束，模型底部边界为固定边界，模型的顶部边界为自由边界。模型的初始应力状态考虑地下水位和土体的自重影响。

图2 数值模型的网格划分

2.5 施工阶段的划分

采用MIDAS软件中的施工模拟模块来实现对该工程施工阶段的模拟，堤防堆载采用抛石分层回填进行填筑。根据实际工况和该地区类似地基的处理经验，将堤防的荷载分八层进行堆载，每次堆载时间为半月(15天)，间歇期2～2.5个月不等，采用逐步激活地基土以上单元的方式来模拟堤防分层填筑的过程。施工阶段划分见图3。

图3 堤防分层填筑施工阶段划分

3 计算结果及分析

为了对水闸、堤防及连接段地基的不均匀沉降进行研究，分别在水闸、连接段和堤防中间部位布置了

图4 监测点布置示意图

三条竖直向下的监测线，均以地表开始竖直向下每隔5m布置一个监测点，每条线各布置10个监测点，见图4。将地表及其下的3个共4个监测点定义为上部监测点，再往下的3个监测点定义为中部监测点，最下部的3个监测点定义为下部监测点。

整个模型加载时长为18个月，总的模拟时长(包括加载时长)为55个月，自2013年1月1日—2017年7月31日。根据对监测点位移的分析，发现在水闸、堤防及连接段中部监测点的竖向位移变化规律与上部监测点或下部监测点类似，故每一段只对上部监测点和下部监测点的变化规律做图并分析。监测点的竖向位移变化规律见图5。

图5 监测点沉降变化规律

由图5(a)、(b)可知：堤防段不同深度监测点的竖向位移随时间的变化规律相似度很高，上部监测点的深度越深，其竖向位移(沉降)越小，在加载期，沉降速率较快，沉降量也迅速增大，在加载结束后的一年之内，沉降速率快速降低，在加载结束后的一年之后，沉降速率趋近于零，沉降量基本保持不变，沉降达到稳定。

由图5(c)、(d)可知：连接段上部监测点的竖向位移在加载期随荷载的增加不断地增大且变化较快，在加载结束后一年之内变化很缓，在加载结束一年以后基本不再变化，连接段上部4个不同深度的监测点的竖向位移变化曲线基本重合，变化规律高度一致，这一现象表明连接段在采用15m长的水泥搅拌桩进行地基处理后形成了复合地基，桩和桩间土共同承担了上部的荷载，使15m深度以内不同深度地基沉降规律基本相同；而下部不同深度监测点的竖向位移随时间的变化规律与堤防段监测点的变化规律相似，在加载期，沉降速率较快，沉降量也迅速增大，在加载结束后的一年之内，沉降速率快速降低，在加载结束后的一年之后，沉降速率趋近于零，沉降量基本保持不变，沉降达到稳定。

由图5(e)、(f)可知：水闸段监测点的竖向位移曲线变化规律与连接段和堤防段基本一致，均呈加载时沉降迅速增大，加载后一年内增速很缓，加载完成一年以后基本无变化的规律，水闸段上部、中部和下部深度较小的2个监测点的竖向位移基本不随深度发生改变，仅45m处的监测点竖向位移曲线有所区别，沉降较小，这一现象表明水闸段在采用39m长的钻孔灌注桩进行地基处理后形成了39m深度范围的复合地基，上部荷载由桩和桩间土共同承担，使40m深度以内不同深度地基沉降规律基本相同，40m深度监测点的沉降变化曲线仅略高于35m深度的曲线，而45m深度监测点的曲线更高，沉降值较小。

4 结 论

采用MIDAS软件对细陂河有代表性的水闸堤防及连接处的沉降特性进行了数值模拟，结果表明：无论是堤防段、连接段还是水闸段，其监测点的竖向位移曲线变化规律基本一致，均呈加载时沉降迅速增大，加载后一年内增速很缓，加载完成一年以后基本无变化的规律；同样是上部监测点，水闸段沉降最小，连接段次之，堤防段沉降最大，中部和下部监测点也有类似的规律。可见采用地基处理方案可有效地减小淤泥质地基的沉降。