塑钢板桩应用于黄河宁夏地区边坡稳定性分析

武慧芳，顾靖超，陆立国

(宁夏水利科学研究院，宁夏 银川 750021)

黄河宁夏段自中卫南长滩翠柳沟入境至石嘴山上道坎麻黄沟出境，全程397km，穿越4个地级市，10个县区，涉及灌溉面积816万亩，工业年供水量3亿m3，是宁夏工农业用水的主要来源，在宁夏经济发展中占有及其重要的地位[1- 3]。宁夏在黄河治理方面传统上一般采用草土埽进占、铅丝石笼护坡护脚。由于草土埽体长期浸泡于水中，草料腐烂变质，造成坝体沉降、变形，对防洪工程安全构成威胁；铅丝石笼长时间在水中浸泡，铁丝容易锈蚀断裂，久而久之，石笼散架，失去固脚护坡的作用，给工程带来安全隐患。近年来，又先后引进应用了土工格栅材料作为进占体，格宾石笼用于护坡护脚，具有一定成效，但土工格栅材料在长期日照条件下易老化，格宾石笼伴随着长期冲刷容易出现松垮坍塌现象[4- 10]。引进河道治理新材料，展现黄河宁夏段特有资源优势，打造黄河金岸，展现塞上明珠独特魅力，已迫在眉睫。

高强度塑组合钢板桩是一种由高分子原材料经特殊配方一次挤压成型的强化复合材料，每片两侧设置CT圆弧形套接接头，通过匹配连接，形成整体连续的护岸板墙，如图1所示。具有材质轻型、隔水性能好、抗老化、耐腐蚀、施工快捷、使用寿命长等优点，可缩短施工工期，减小施工作业面，对周边环境影响小，有利于生态环境的保护，被水利部列入《2016年水利先进实用技术重点推广指导目录》，已广泛应用于防洪、排涝、防塌陷塌方、防泥石流等自然灾害抢险救灾和工程建设中[11- 13]。

图1 塑钢板桩结构图

文章通过选取黄河二期宁夏整治河段典型断面，采用Morgenstern-Price法[14- 15]，建立高强度塑钢组合板桩应用模型，对冲刷前后有无板桩渗流场及护岸稳定、塑钢板桩进行材料特性、石笼网兜稳定性进行模拟分析研究，为工程设计中稳定性分析提供一定的建议。

1 模型及参数

1.1 典型断面模型

选取黄河二期宁夏段河道整治工程典型断面，堤坝用壤土或砾石土填筑，护坡用干砌石、铅丝石笼或格宾网垫防护，基础护根用块石、铅丝笼、木架四面体、混凝土四脚体抛筑，经自然沉降及多次抢险加固后逐步达到工程水下抛投根石在达到设计冲刷深度的稳定状态。采取塑钢板桩时，板桩长度取12m。考虑土体来源及应力状态，将土体模型分为4层，依次定义为回填土、基础土体I、基础土体II及基础土体III，各土层厚度分别为：4.5、5、4.6、5.2m，模型如图2所示。

图2 冲刷前后典型断面模型

1.2 材料物理力学参数

材料物理力学参数包括土层物理力学参数见表1，石笼网兜材料参数见表2，塑钢板桩抗弯性能参数见表3。

表1 土层物理力学参数表

表2 石笼网兜材料参数

表3 塑钢组合板桩抗弯性能参数

1.3 抗滑稳定标准

堤防的抗滑稳定安全系数按照GB50286—2013《堤防工程设计规范》的要求执行[16]，数值见表4。

表4 堤防抗滑稳定安全系数

2 数值模拟分析[17- 22]

2.1 施工期流量工况下渗流及稳定分析

2.1.1稳态渗流稳定分析

在施工期流量下，首先进行护岸在稳态渗流情况下的渗流场计算，在初始渗流场计算结果的基础之上，采用Morgenstern-Price法对护岸进行稳定性分析。

由于塑钢板桩防渗效果不明显，有无板桩模型二者在孔隙水压力、流线分布规律及浸润线均一致，因此，本次计算中不考虑板桩控制渗流、防止地基渗透变形的作用，计算得到的护岸在施工期流量条件下的渗流场如图3所示。

图3 稳态渗流情况下渗流场分布

在渗流分析结果上，进行护岸稳定分析。稳定分析时采用有板桩(板桩受剪承载能力为40kN)和无板桩两种情况进行分析。不同情况下得到的最小稳定安全系数及相应滑动面如图4所示，两种参数对比分析结果见表5。

图4 稳态渗流情况下稳定安全系数及滑动面

表5 护岸稳定分析结果

由上述计算成果可以看出：

(1)在施工期流量工况、无板桩的情况下，对于上游侧坝坡，最小稳定安全系数为3.360，临界滑移面从护岸顶部距石台约3.6m处起，经过护岸回填土、基础土体Ⅰ、基础土体Ⅱ，最终从河床段滑出。滑出点距护岸坡脚处9.8m左右。

(2)在施工期流量工况、有板桩的情况下，对于上游侧坝坡，最小稳定安全系数为3.776，临界滑移面从护岸顶部距石台约4m处起，经过护岸回填土、基础土体Ⅰ、基础土体Ⅱ，贯穿板桩，最终从河床段滑出。滑出点距护岸坡脚处11m左右。

(3)在施工期流量工况下运行时，无论是否存在板桩，整体稳定均能能满足GB 50286—2013《堤防工程设计规范》的要求；在其他条件相同下，护岸在有板桩情况下稳定性优于无板桩情况。

2.1.2瞬态渗流稳定分析

模拟堤坝冲刷稳定前断面在施工期流量工况下水位骤降的情况，对堤坝渗流场、稳定性进行分析。堤坝起始位于施工期流量水位稳定渗流状态，5min内从施工期流量水位1105.61m匀速下降至坡脚高程1103.61m。在施工期流量工况下，水位骤降的堤坝渗流场变化过程如图5所示。

图5 施工期流量水位骤降渗流场变化

在瞬态渗流分析结果上，进行堤坝稳定分析。稳定分析时采用有板桩(板桩受剪承载能力为40kN)和无板桩两种情况进行分析。不同情况下得到的最小稳定安全系数及相应滑移面如图6所示，两种参数对比分析结果见表6。

图6 瞬态稳定安全系数及滑动面

表6 堤坝稳定分析结果

由上述计算成果可以看出：

(1)在水位骤降、无板桩的情况下，对于上游侧坝坡，最小稳定安全系数为2.547，临界滑移面从堤坝顶部距石台约2.2m处起，经过堤坝回填土、基础土体Ⅰ、基础土体Ⅱ，最终从河床段滑出。滑出点距堤坝坡脚处11m左右。

(2)在水位骤降、有板桩的情况下，对于上游侧坝坡，最小稳定安全系数为2.797，临界滑移面从堤坝顶部距石台约3.2m处起，经过堤坝回填土、基础土体Ⅰ、基础土体Ⅱ，贯穿板桩，最终从河床段滑出。滑出点距堤坝坡脚处11m左右。

(3)在水位骤降下运行时，无论是否存在板桩，整体稳定均能能满足GB 50286—2013《堤防工程设计规范》的要求，但其稳定安全系数明显小于稳态渗流情况；在其他条件相同下，堤坝在有板桩情况下稳定性优于无板桩情况。

2.2 冲刷稳定后渗流及稳定分析

首先进行渗流稳定分析，施工期流量条件下冲刷稳定渗流场分布同2.2.1，在渗流分析结果上，进行护岸稳定分析。稳定分析时采用有板桩(板桩受剪承载能力为40kN)和无板桩两种情况进行分析。不同情况下得到的最小稳定安全系数及相应滑动面如图7所示。两种参数对比分析结果见表7。

图7 冲刷后有无板桩护岸稳定安全系数及滑动面

表7 护岸稳定分析结果

由上述计算成果可以看出：

(1)在施工期流量、无板桩的情况下，对于上游侧坝坡，最小稳定安全系数为1.836，临界滑移面从护岸顶部石台右侧处起，经过护岸回填土、基础土体Ⅰ、基础土体Ⅱ，最终从河床段滑出。滑出点距护岸坡脚处1m左右。

(2)在施工期流量、有板桩的情况下，对于上游侧坝坡，最小稳定安全系数为2.023，临界滑移面从护岸顶部距石台右侧约0.3m处起，经过护岸回填土、基础土体Ⅰ、基础土体Ⅱ，贯穿板桩，最终从河床段滑出。滑出点距护岸坡脚处3m左右。

(3)在施工期流量下运行时，无论是否存在板桩，整体稳定均能能满足GB 50286—2013《堤防工程设计规范》的要求，但其稳定安全系数明显小于冲刷稳定前情况；在其他条件相同下，护岸在有板桩情况下稳定性优于无板桩情况。

2.3 塑钢板桩参数敏感度分析

2.3.1施工期流量工况(冲刷稳定前)

经计算，当板桩抗剪承载力为90kN，临界滑动面不贯穿板桩，且继续增加板桩抗剪承载力无法有效提高护岸稳定安全系数，具体计算结果如图8(a)所示。因此取板桩抗剪承载力区间为[20，100]进行分析，抗剪承载力与安全系数关系如图8(b)所示。

图8 冲刷稳定前塑钢板桩参数敏感性分析

由上述计算成果可以看出：所选断面在冲刷稳定前，在施工期流量下运行时，在板桩抗剪承载力小于90kN时，提高板桩抗剪承载力能有效的提高断面的稳定安全系数，但当板桩抗剪承载力大于等于90kN时，临界滑动面不贯穿板桩，且继续增加板桩抗剪承载力无法有效提高护岸稳定安全系数。

2.3.2施工期流量工况(冲刷稳定后)

经计算，当板桩抗剪承载力为106kN，临界滑动面不贯穿板桩，且继续增加板桩抗剪承载力无法有效提高护岸稳定安全系数，具体计算结果如图9(a)所示。因此取板桩抗剪承载力区间为[20，110]进行分析，抗剪承载力与安全系数关系如图9(b)所示。

图9 冲刷稳定后塑钢板桩参数敏感性分析

由上述计算成果可以看出：

(1)所选断面在冲刷稳定后，在施工期流量下运行时，在板桩抗剪承载力小于106kN时，提高板桩抗剪承载力能有效的提高断面的稳定安全系数，但当板桩抗剪承载力大于等于106kN时，临界滑动面不贯穿板桩，且继续增加板桩抗剪承载力无法有效提高护岸稳定安全系数。

(2)所选断面在冲刷稳定前、后，在板桩抗剪承载力小于某一值时，提高板桩抗剪承载力能有效的提高断面的稳定安全系数，但当板桩抗剪承载力大于等于该值时，临界滑动面不贯穿板桩，且继续增加板桩抗剪承载力无法有效提高护岸稳定安全系数。

2.4 石笼网兜稳定性分析

石笼网制成箱笼、网垫，用于江河、护岸及海塘的防冲刷保护，其柔性的结构能适应边坡的变动而不被破坏，比刚性结构具备更好地安全稳定性，同时抗冲刷能力也较强。

2.4.1施工期流量工况(冲刷稳定前)

由于在冲刷前，石笼块体较为平整的堆积在护岸土坡上，对土坡稳定性主要起顶部盖重作用，并且由于护岸板桩作用加固作用，在石笼材料黏聚力降c为0，内摩擦角φ降为0°时，护岸滑移面仍不通过石笼块体，且护岸稳定安全系数不随石笼材料参数变化而变化，具体计算结果见图10(a)。

2.4.2施工期流量工况(冲刷稳定)

由于在冲刷稳定后，石笼块体倾斜角度增大，存在滑移面通过石笼块体的可能，在石笼材料黏聚力降为0，内摩擦角降为0°时，护岸滑移面均通过石笼块体，且护岸稳定安全系数明显下降，改变石笼材料参数，设黏聚力为15kPa，内摩擦角降为0°或黏聚力为0，内摩擦角降为45°，则存在可能滑移面通过石笼块体，具体计算结果如图10(b)、(c)、(d)所示。

图10 石笼网兜冲刷稳定前后护岸稳定安全系数及滑动面

由上述计算成果可以看出：冲刷稳定前，石笼块体较为平整的堆积在护岸土坡上，对土坡稳定性主要起顶部盖重作用；冲刷稳定后，由于护岸倾斜角度增大，当在石笼材料黏聚力、内摩擦角非常小时，护岸存在滑移面通过石笼块体，护岸稳定安全系数也明显下降，且黏聚力对此现象影响更为显著。

3 结语

以黄河宁夏地区护岸加高加固工程为研究对象，对护岸渗流场及坝坡稳定系数进行仿真计算，对护岸稳定性进行分析。取得的主要结论如下：

(1)依据相关参数分别对冲刷稳定前、后，护岸施工期流量工况下的稳定渗流场及护岸坝坡稳定进行了分析。所选断面冲刷稳定前，在有无板桩的情况下，稳定安全系数分别为3.776、3.360，冲刷稳定后，稳定安全系数分别为1.836、2.023，均能能满足GB 50286—2013《堤防工程设计规范》的要求；在其他条件相同下，护岸在有板桩情况下稳定性优于无板桩情况。

(2)模拟护岸冲刷稳定前断面在施工期流量工况下水位骤降的情况，计算其不同时间的渗流场及护岸坝坡稳定性，在水位骤降下时，在有无板桩的情况下，稳定安全系数分别为2.797、2.547，均能能满足要求，但其稳定安全系数明显小于稳态渗流情况；在其他条件相同下，护岸在有板桩情况下稳定性优于无板桩情况。

(3)通过研究高强度塑钢组合板桩及石笼材料参数变化，对护岸进行了敏感性分析，得到材料特性与护岸稳定性的相关关系，结果表明：在板桩抗剪承载力小于某一值时，提高板桩抗剪承载力能有效的提高断面的稳定安全系数，但当板桩抗剪承载力大于等于该值时，临界滑动面不贯穿板桩，且继续增加板桩抗剪承载力无法有效提高护岸稳定安全系数；在护岸倾角较小时，石笼块体较为平整的堆积在护岸土坡上，对土坡稳定性主要起顶部盖重作用；在护岸倾斜角度增大，且石笼材料黏聚力、内摩擦角非常小时，护岸存在滑移面通过石笼块体，护岸稳定安全系数也明显下降，且黏聚力对此现象影响更为显著。