丰城市罗湖堤软土堤基固结沉降预测的数值仿真研究

谢丽洪

(丰城市河道堤防管理局，江西 宜春 331100)

1 项目概况

罗湖堤的圩堤起始端位于泥塘水库，总长度为8.838 km。作为丰城市的重要堤防，罗湖堤的保护面积约为21 km2，可为0.17万hm2耕地、2.23万人提供保护。在经济持续发展的背景下，社会对防洪保安所提出要求较过去有所提高，为保证堤防对经济发展所具有作用得到充分发挥，丰城市计划对罗湖堤进行除险加固。

鉴于地层岩性所存在差异可知，本项目的堤基结构是双层结构，堤基下部以砂卵砾石、细砂为主，透水性极强，一旦河水位超过堤区的地面高度，河水便能够通过砂性土渗入堤内，随着渗透压力的增加，堤基有较大概率出现渗透变形情况，若细砂层破坏程度超出预期，堤基所存在安全问题的严重程度将有所加剧，这表明本项目堤基极易出现渗透问题。

2 固结沉降预测理论及方法

2.1 计算理论

固结是指在外力作用影响下松软土壤出现压缩和去水情况，进而使自身密实度得到提高的过程，而沉降所描述对象通常为地基，即：受建筑物荷重影响，导致地基出现竖向变形。固结沉降可以简单地理解为接近饱和土或饱和土受基础荷载所施加作用力影响，导致孔隙水压力逐渐消散、骨架变形，进而出现的沉降情况。由此可见，固结沉降速度往往由孔隙水被排出的速度所决定。

本项目计划以多孔介质模型为依托，利用MATLAB软件对孔隙水压力逐步消散以及堤基固结沉降的过程进行模拟，该模型的微分控制方程如式(1)：

(1)

(2)

式中：k为多孔介质所对应渗透矩阵；εi i为多孔介质所对应骨架体积实际应变；n为土体孔隙率；Kf为流体当前体积模量。

2.2 计算方法

对罗湖堤土方进行加载计算时，研究人员计划借助单元生死对填筑堤身的速度加以控制，假设在土方加载过程中，堤身填筑始终处于均匀上升状态，仿真计算的全周期定为50年，对土方加载期进行计算的步长定为1 d。待土方加载作业告一段落，受堤身自重影响，其沉降速度将呈现出逐渐减缓的趋势，此时，为保证计算资源得到充分利用，可酌情加大步长，以此来达到对沉降速度进行有效控制的目的[1]。

受长期重力作用影响，堤基沉降已趋于相对稳定的状态，鉴于此，为保证仿真计算所得结果具有实际意义，应选择先通过计算地应力平衡的方式，将初始沉降给堤基所产生影响完全消除，再对土方加载过程中，孔隙水压力和堤身填筑压力进行计算。将堤身表面作为本项目的排水边界，在堤基的底边和两侧对不排水边界进行设置，借助迭代计算方法完成后续计算。

3 建模并选取预测仿真参数

3.1 建立模型

对堤基进行取值的范围是上游100 m～下游100 m，实地勘探结果表明，堤基深度在60 m左右。研究人员决定在堤顶左侧对坐标原点进行设置，将模型所包含单元组数量设定为5个、单元数量设定为3580个、单元节点数量设定为3710个。渗流计算分区如图1所示。

图1 渗流计算分区

3.2 选取参数

3.2.1 渗漏情况

对于曾出现渗漏险情、堤基有淤泥软弱夹层且存在滑动可能性的堤段，应分别在临湖堤、临河堤对代表段进行选择，罗湖堤渗漏险段情况如表1所示。对于莼湖堤、河堤且圩堤长度在10 km以上的圩堤，通常需要对2个代表段进行布置，10 km 以内圩堤只需对1个代表段进行布置。各代表段所布置观测断面数量以2～3个为宜，同时，各断面需对3个位移标点进行布设，在稳定区域对水准基点、起测基点进行设置，上述基点的数量均为1个[2]。鉴于此，最终决定将本项目的代表性断面设为1+000、3+000、5+500，在上述代表性断面对6个观测基点和9个位移标点进行设置。

表1 罗湖堤渗漏险段情况

堤身填土的获取途径为堤外地表及堤内地表，0+000～1+450段堤身单薄且低矮，汛期较易出现漫顶及漏水问题，在防洪方面的表现难以达到预期。1+450～7+750段堤身土质不均且整体质量较差，局部有泥质夹层存在，整体填筑质量未能达到预期，堤身土多为粉砂土，但经过数年的固结运行，其稳定性较运行初期有显著改善。7+500～8+838段堤身的填筑质量及土质一般，粉质黏土占比较大，研究表明，该堤段的透水性微弱，在防渗性方面的表现较其他堤段更为突出。

3.2.2 确定参数

对土层力学参数进行选取的原则如下：

(1)在确定天然状态相关指标时，可根据算术平均值，对孔隙、含水量和饱和度等指标进行取值。

(2)在确定力学指标时，内摩擦角及凝聚力的取值应为统计小值的平均数。压缩系数的取值应为统计大值的平均数。

(3)在确定堤基渗透系数时，以钻孔注水试验、土工试验、现场土体土芯相关数值为依据，保证所确定渗透系数符合实际情况。

(4)在确定土层渗透比降指标时，应将有关部门针对水利水电工程所出台地质勘察规范作为主要依据，根据现场土层所表现出特点，通过计算的方式得出相应结论。对本项目而言，粉质黏土对应渗透变形类型是流土型，粗砂层所对应类型则是管涌型。

(5)在确定土体力学指标时，若统计组数量达到6组以上，有效统计组数和整体组数大致相同，可利用上文所提到选取力学指标的方法加以确定，如果统计组数量未达到6组或有效统计组数、整体组数间存在明显差异，则要求以现场情况为依据，参考现有资料，以工程类比为依据对相关数值加以确定。

(6)在确定岩土力学指标时，将土工试验所得结果作为主要依据，综合考虑动力触探试验及标贯试验所得结果，通过类比分析的方式，得出最终结论[3]。

以现场勘探所掌握信息为依据，可将罗湖堤的堤基土分为粗粒土、内岩土、特殊土及黏性土，整体结构为双层结构，其中，局部区域为单一结构。在堤基上部均匀分布着壤土和黏土，具有良好的连续性以及力学性质，可作为堤基持力层而存在，同时满足社会对堤防荷载所提出要求。局部区域存在淤泥黏土，在荷载固结的影响下，通常不会出现沉降变形可能，本项目堤基土层参数如表2。

表2 罗湖堤岩土层参数建议值

本项目对堤基进行加固的方法为加设排水板，排水板材质为塑料，长度为20 m，相邻排水板的间隔为1.4 m，其作用主要是对土体排水距离进行缩短，通过加快排水速度的方式，使堤基得到固结，在土体渗漏系数增加的情况下，该方法同样能够起到加速排水和固结的效果。随后，基于固结度等效原理展开分析，先确定等效渗透系数，再对加固堤基进行简化，得到具有较大渗透系数的天然堤基数据，在此基础上，结合相关数值进行仿真计算并得出最终结果。

4 固结沉降仿真结果讨论

4.1 堤基沉降分析

对本项目堤身进行土方加载的时间共18个月，在此期间堤身土方均处于匀速填筑上升状态，堤顶中心线和建基面相交区域的沉降情况较为典型，在堤身填筑结束后的50年内，对本项目固结沉降状况进行描述的如图2所示。

图2 地基固结沉降云

在加载结束的第1年、第5年、第10年和第50年，分别对堤基典型点进行研究，由此来获取相应固结沉降值，具体结果如表3。

表3 各典型点沉降程度 m

由钻孔所揭露结果可知，本项目沿线堤基土层无软弱夹层存在，土工试验结果表明，本项目堤基土层以细砂、砂卵砾石和粉质黏土为主，上述土层埋藏深度较深，经数年荷载压实已达到固结水准，其力学性能改善明显，由此可得出“除特殊情况外，堤基均无沉降变形问题存在”的结论。而仿真计算结果表明，堤顶中心线和建基面相交区域的堤基，其沉降程度较其他区域堤基更大，沉降速度遵循先快后慢的规律，中间部位变形速度较两侧更大，待土方加载环节告一段落，该典型点的残余变形在0.14 m左右，约为沉降总值的7%，加载结束的第10年，罗湖堤的堤基沉降能够达到约100%，表明沉降和固结排水均已完成，此时，堤基状况较初期更加稳定[4]。

4.2 固结沉降数值对比

结合现场监测所掌握数据可知，利用本文所采取方法进行仿真计算所得固结沉降数值及发展规律，基本与现场监测数据相同，在固结沉降期间采取不同方法所获得数值无明显差异，具有较高的吻合度。由此可见，以仿真计算所得数值为依据，对堤基固结沉降进行预测，其结果具有实际意义。

4.3 防止渗透破坏方法

对本项目而言，要想杜绝渗漏情况发生，施工人员可采取以下方法：一是水平压盖。该方法强调通过延长渗径的方式，使渗透出逸坡降得到有力控制，在具体施工中，要求施工人员以实际情况为依据，结合渗流计算结果判断导致渗透破坏及相关问题出现的原因。本项目出现上述问题的原因，主要是堤外及堤内所分布取土坑和水塘，导致堤基黏性土所具有完整性被破坏，渗透破坏随之出现，一旦外河水位在汛期大幅提高，便会诱发流土及管涌险情。出于对渗径进行延长、使渗透出逸坡降得到显著降低的考虑，结合所积累经验提出对背水侧进行水平压盖的建议，此举既能够取得良好的防渗效果，又可使内坡稳定性及抗滑性得到显著提升。但要明确一点，该方法仅能解决局部区域出现的渗透问题，而无法使地下水压力得到控制，对于透水性极强或地质条件不理想的堤段而言，该方法所能取得效果十分有限。二是排渗减压。在堤内适当区域对减压排水沟或减压井进行修建，保证基础承压水可通过减压排水沟或减压井排出，随着基础承压水头得到降低，渗透破坏问题自然迎刃而解。该方法的优点是施工简单且成本低廉，但后期需要投入较多精力进行维护，要求工作人员定期更换排水反滤，以免由于排水反滤阻塞，导致减压排水沟或减压井无法正常运行。

5 结 论

本文以多孔介质模型为基础，针对堤基、圩堤所存在相互作用，对相应的有限模型进行了建立。重点考虑土体变形受孔隙水压力影响，通过新增排水带的方式，对孔隙水压力的消散过程进行模拟，保证堤基固结沉降所遵循规律可得到直观展示。分析堤防检测器所提供固结沉降数据和仿真数据，得出“利用仿真计算结果预测固结沉降的准确度可达到行业要求”的结论，表明本文所得研究成果可为类似项目的施工和运行提供参考。