均质土围堰安全稳定计算分析

黄春霞

（江西省南昌县象湖联圩管理站，江西 南昌 330025）

0 引言

以某水利工程为例，该工程全长91.95 km。工程主要建设内容有河道拓挖、直立挡墙加斜坡及灌注排桩，其中河道拓挖全长2.8 km，边坡比1∶3，河底设计高程-3.0 m，底宽30 m；直立挡墙加斜坡全长2.569 km，挡墙高程0.5 m～2.6 m，斜坡高程-0.5 m～0.5 m；灌注排桩直径1.2 m，全长31 m，墙顶高程1.9 m。对工程现场环境及其土质围堰利用ANSYS 有限元软件与svoffice 岩土软件构建整体模型，对土围堰的基底抗滑稳定性、整体稳定性、围堰变形与应力、围堰渗流及高度演算进行分析，探讨均质土围堰在高水位条件下的安全稳定性。

1 工程概况

本标段施工截流围堰填筑区域位于各支河、沟口处，桩号为15+800、18+270，围堰背水侧边坡1∶4、临水侧边坡 1∶3，地下水水位为2.0 m，防洪设计水位2.87 m，堰顶高程4.0 m，并在背水侧设置宽2.5 m 的平台。施工方法为进占法，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围堰填筑材料，围堰断面形式见图1。

图1 土质围堰断面形式

2 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。采用svoffice 二维岩土软件建模分析围岩的整体稳定性与渗流作用，利用ANSYS 三维有限元软件分析围岩基底稳定性及其应变、应力状态[1～4]。

2.1 围堰高度验算

依据堤防工程设计规范确定本研究均质土围堰堤顶高程[5]，其计算表达式如下：

式中：R、Y 分别代表设计波浪爬高与土围堰高度；A、e 分别代表安全加高及设计风雍水面高度，其中A 值为0.5 m。

若土质围堰斜坡率满足条件hm/L≥0.025 且m＜1.0，则波浪爬高R 的计算公式为：

式中：KΔ，Kv，Kp，Ko分别为规范规定的计算系数；hm为波浪平均高度。

根据土石坝设计规范和堤防工程设计标准确定波浪平均高度，计算方法如下：

式中：hm为平均波高，m；V 为计算风速，1.5×16(多年平均最大风速)＝24 m/s；F 为由计算点逆风向量到对岸的距离，35 m；d为水域平均水深，4.87 m；g 为重力加速度，取9.81 m/s2。

根据上述计算参数和基本方法确定风雍水高度为0.05 m、波浪爬高为1.25 m。然后对围堰高度按照设计规范进行验证，计算得到Y=1.25+0.05+0.5=1.80 m。围堰顶最低标高为Y=2.87+1.80=4.67＞3.5 m，因此按照此方法确定的围堰高度不够。然后对围堰平均浪高按照围堰导流设计导则与围堰设计相关的规范进行验证，Y=2.87+0.46+0.5=3.83＞3.5 m，在10 年一遇浪高下围堰顶最低标高为H=2.87+0.75+0.5=4.11＞3.6 m。综上所述，均质土围堰在上述两种条件下的高程均不满足条件要求，故均质土围堰高度在丰水期风浪作用下不满足安全要求，应制定相应的应急预案并采取防浪措施。

2.2 围堰渗流稳定分析

在建设项目施工期间，地下水高程为+2 m，因此在对地连墙分析过程中设定地下水初始水位为+2 m。结合地质勘测报告和有关资料，淤泥质土层具有较低的渗透系数，因此可认为随着短期水位的升降，淤泥质土中的地下水位保持相同的变化趋势，地面水在洪水期内按照常水头的形式作用在迎水侧与地表。

汛期洪水最高水位的持续时间较短，土围堰浸润线发展规律选择为100 d 结合围堰现场土工试验报告和地质勘测相关资料，确定淤泥质黏土、土围堰填土的饱和渗透系数分别为5.0×10-5cm/s、5.28×10-5cm/s。浸润线在洪水位期间不会达到背水面，从而不能形成稳态的渗流作用。在保证土围堰合理护面和不出现土体颗粒流失的条件下，土围堰不存在渗流破坏作用。

2.3 围堰整体抗滑稳定性分析

根据土围堰渗透性较低的实际情况，考虑将土工布设置在围堰迎水面，另外结合河道洪水期一般低于100 d 可不考虑渗流对围堰的影响，因此对整体抗滑稳定性可利用饱和抗剪总应力来反映。

土围堰覆盖层地基及堰坡的抗滑稳定性根据堤防工程设计规范，采用刚体极限平衡单一安全系数法确定，利用简化毕肖普法或瑞典圆弧法确定抗滑稳定时，根据表1 中非正常运行条件Ⅰ的相关规定确定土围堰的边坡安全稳定系数[6]。水位骤降期的临水边坡及施工期设计洪水位的临、背水边坡，为模型计算分析的主要内容。

表1 不同计算方法下的抗滑稳定系数表

工况1：完成均质土围堰施工时的地下水位高程为+20 m。工况2：选择最高洪水位+31.50 m 作为地面上洪水位，波浪力与静水压力为作用于迎水面的主要荷载，挡水土工布在迎水面的抗渗透性较好。波浪力垂直作用于坡面上，大小为20 kPa。一般情况下，在施工过程中临时堆载较为常见，为提高计算结果的准确性与可靠性，在模型运算过程中假定施工堆载为10 kPa。工况3：均质土围堰在水位降低的情况下保持稳定。根据文中所述计算方法和参数值，确定不同工况条件下的土围堰最小安全系数见表2。

表2 3 种不同工况下土围堰最小安全系数值

根据土围堰在不同工况条件下的稳定性分析结果，背水面洪水期安全系数较低，边坡安全系数能够达到标准规范设计要求，而在洪水迅速下降过程中的安全稳定系数有最小值，因此施工堆载可在一定程度上提高围堰的稳定性。

2.4 围堰变形与应力计算

按照5 级标准分析均质土围堰变形与应力状态，结合非饱和土二维渗流计算报告确定该围堰的渗透系数较小，将土工挡水布设置在迎水面并设定洪水期在100 d 以内，在模型运算过程中不考虑渗流作用，土围堰与地基上作用洪水静水压力，应力与变形状态利用饱和抗剪总应力指标表征。

计算模型采用ANSYS软件，模型计算范围为400 m×400 m，以地连墙中心点作为模型原点。洪水的波浪力与静水压力为土围堰承受的主要荷载，根据土围堰实际状况和相关资料设定以下5 种工况计算围堰变形与应力[7]。工况1：土围堰迎水面满布波浪力与静水压力。工况2：土围堰迎水面满布静水压力，而在横梁上布置浪波力，其他方向无作用力。工况3：迎水面满布静水压力，横梁下布置波浪力，其他方向无作用力。工况4：迎水面满布静水压力，纵梁向主干流侧布置波浪力，其他方向无作用力。工况5：迎水面满布静水压力，纵梁向河岸侧布置波浪力，其他方向无作用力。根据下述标准作为围堰应力与变形控制值，分别如下：

（1）变形允许值控制参数。本研究土围堰竖向变形控制值据《路基边坡设计规范》确定，最大允许值小于300 mm。本研究土围堰水平变形控制值参照《建筑边坡工程技术规范》确定，最大允许值低于围堰高的1%，本文中水平变形最大允许值为50 mm。依据水平与竖向变形最低值作为总变形控制标准。

（2）应力允许值控制参数。采用抗剪切强度值作为土体应力控制参数，从而保证土围堰体处于安全范围以内。土围堰体抗剪强度应大于实际受到剪应力值，抗剪强度计算公式为：

式中：f、c、h 分别代表土体的剪应力、粘聚力及其厚度；σ、φ 分别为土体的天然密度与内摩擦角。

分别对土围堰在5 种不同工况下的变形进行计算，结果见表3。根据计算结果可知，在不同工况下土围堰的最大变形为43.6 mm，在水平X、垂向Y 方向的最大变形分别为36.5 mm、38.3 mm，在各方向上的变形均低于50 mm，小于300 mm 的沉降量限值。

表3 不同工况下X、Y 方向及总变形汇总表

均质土围堰应力在水平X、垂向Y 方向，在5 种不同工况下的计算结果见表4，根据表4 计算结果可知，土围堰应力在不同工况下均在破坏应力范围以内，在最不利状态下未达到塑性破坏状态。

表4 最不利应力值在不同工况下的汇总表

2.5 均质土围堰基底抗滑稳定性分析

根据地面与围堰之间的XY 平面剪应力判断土围堰在丰水期的基底抗滑稳定性，计算结果见表5，其中应力方向利用正、负号反映。根据表5 可知，土围堰基底剪应力最大值在5 种工况下为34.2 kPa，安全系数为2.06，计算结果能够符合标准设计要求。

表5 土围堰基底在5 种工况下的剪应力最大值 单位：kPa

3 结论

通过利用ANSYS 有限元软件与svoffice 岩土软件，对某水利工程均质土围堰进行了一系列的建模验算，通过加强边坡、增加围堰高度及应力监测点的计算分析，确保了高水位状态下土围堰的安全稳定性，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。