围堰稳定性及加固措施分析

王 堉

(星辰利源水利水电工程有限公司，广东 潮州 521000)

0 引 言

在水利水电工程建设过程中，为保证工程的正常开展，常需要建设围堰等临时挡水物。围堰的稳定性影响着工程建设的开展及进度，影响其稳定性的因素较多，确定对围堰稳定性影响的关键因素至关重要。

针对以上问题，许多专家学者开展了相关研究。周璐等[1]以某航电枢纽工程砂砾体围堰为研究对象，利用有限元软件，建立降雨模型，研究围堰内部渗流场变化对其稳定的影响。戴良军等[2]以某大桥索塔基础工程为研究对象，基于相关计算理论，建立风险模型，分析不同方式围堰对其抗滑风险差异性。章荣军等[3]基于Monte Carlo模拟法，建立强度随机分布场，分析空间变异性对围堰稳定性的影响。汪洋等[4]以某水工建筑物为研究对象，基于有限差分法，分析围堰拆除过程对其周围边坡稳定性的影响，以此分析拆除方案的安全性。黄宇等[5]以某河床承台围堰为研究对象，分析当覆盖层钢板桩入土深度较小时，围堰稳定性的变化规律。

本文以某地区围堰为研究对象，分析土体的物理性质对围堰稳定性的敏感性，研究其变化对围堰安全性的影响程度，提出以TRD与抛石结合的围堰加固方法，并分析其加固效果。

1 工程概况

作为研究对象的某地区围堰，其总高度为26.5 m，全长1 542 m，采用袋装土护坡。考虑到渗流作用对其稳定性的影响，采用袋装砂护坡和土工布的形式，形成封闭防渗体系，以维持围堰结构的稳定性。该地区水文地质情况良好，土体主要为粉质黏土、淤泥质土。围堰抛填料相关力学参数见表1。

表1 围堰抛填料相关力学参数

2 计算方法

本研究利用有限元软件，对围堰的稳定性进行分析，假设土体中的渗流情况符合Darcy定律。同时，引入强度折减系数M，其定义如下：

(1)

式中：i、r分别为输入值和折减值；Fs为安全系数。

围堰的堰体和堰基材料相关参数见表2。

表2 堰体和堰基材料相关参数

3 围堰参数敏感性分析

3.1 安全系数敏感性分析

由于围堰的稳定性受多种因素的影响，为研究其稳定性受相关参数的影响程度，对相关参数进行敏感性分析。

围堰明渠开挖土内摩擦角敏感性分析见图1。由图1可知，随着内摩擦角的增大，上游围堰和下游围堰的安全系数逐渐增大，且其变化趋势接近线性增长；显示明渠土的内摩擦角敏感性较高，其对围堰稳定性具有显著影响。但上下游围堰的安全系数具有一定的差异性，下游围堰的安全系数大于上游围堰，说明上游围堰的稳定性较差。上下游围堰内摩擦角-安全系数曲线斜率具有一致性，其差距较小，说明内摩擦角的变化对于上下游围堰稳定性的影响具有一致性，二者之间的敏感性无明显差异。当内摩擦角小于4.3°时，上下游围堰的安全系数均小于安全系数的限值，说明此时围堰已发生破坏失稳，不满足设计要求。在实际工程中，可考虑提升土体的内摩擦角，以保持围堰的稳定性。

图1 围堰明渠开挖土内摩擦角敏感性分析

围堰明渠开挖土黏聚力敏感性分析见图2。由图2可知，黏聚力与安全系数呈正相关关系，上游围堰的曲线增长趋势接近线性增长，下游围堰的曲线斜率随黏聚力的增大而增大，说明黏聚力的增大对围堰稳定性有显著的提高作用。在黏聚力较小时，上下游围堰的曲线斜率差距较小；随着黏聚力的增大，上下游围堰的曲线斜率具有一定的差异性，下游围堰的斜率大于上游围堰，说明黏聚力对下游围堰安全系数的敏感性较高，黏聚力的改变对于下游围堰的稳定性影响程度较大。当明渠土的黏聚力小于7.9 kPa时，上下游围堰的安全系数均小于安全系数限制，说明此时围堰已发生破坏失稳，不满足设计要求。在实际工程中，可考虑提升下游围堰的黏聚力，达到增大围堰稳定性的目的。

图2 围堰明渠开挖土黏聚力敏感性分析

围堰明渠开挖土渗透系数敏感性分析见图3。由图3可知，明渠土的渗透系数与安全系数呈负相关关系。上下游围堰的曲线均接近线性下降趋势，且下游围堰的安全系数大于上游围堰，但是其曲线变化趋势较为平缓，说明改变渗透系数对围堰稳定性的影响程度较小。下游围堰的曲线斜率大于上游围堰的曲线斜率，说明渗透系数对下游围堰的稳定性敏感性较高，渗透系数的改变对于下游围堰的稳定性影响程度较大。这是由于下游围堰与水的接触面积较大，水的渗流作用会影响围堰的稳定性，而上游与水的接触面积较小，所以渗透系数的改变对于上游围堰稳定性的影响较小。由于渗透系数对于围堰稳定性的敏感性较低，所以即使渗透系数增量较大，上下游围堰的安全系数均大于安全系数的限制值。

图3 围堰明渠开挖土渗透系数敏感性分析

3.2 侧向位移敏感性分析

根据上述分析可知，对围堰稳定性敏感性较高的分别为黏聚力和内摩擦角。由于围堰的位移是影响其稳定性的主要因素之一，本节以下游围堰为研究对象，基于实际工程的监测数值，分析黏聚力和内摩擦角对围堰位移的敏感性影响情况。

图4为减小3°内摩擦角对围堰侧向位移的影响。由图4可知，随着时间的增大，围堰的侧向位移逐渐增大。当时间小于60 d时，围堰的侧向位移无明显的变化趋势；当时间大于60 d小于100 d时，围堰的侧向位移逐渐增大，其增长趋势接近线性增长；当时间大于100 d时，围堰的侧向位移增长趋势显著，其增长率较大，说明在时间较短时，改变内摩擦角对围堰位移的影响较小；随着时间的增长，内摩擦角对围堰侧向位移的影响较大。这是由于当时间较短时，围堰仍处于固结阶段，此时发生的位移较小；随着时间的增长，围堰逐渐过渡到变形和加速变形阶段，此时围堰发生变形，且其变形增量较大，变形速度较快。在实际工程中，当时间大于60 d时，应重点关注由于内摩擦角改变而导致的围堰变形情况，以保证围堰的稳定性。

图4 减小3°内摩擦角对围堰侧向位移的影响

图5为降低黏聚力4 kPa对围堰侧向位移的影响。

图5 降低黏聚力4kPa对围堰侧向位移的影响

由图5可知，黏聚力与侧向位移呈正相关关系，说明提升土体的黏聚力可有效控制围堰变形。当时间小于60 d时，围堰的侧向变形接近线性增长，其增量较为稳定；当时间大于60 d时，围堰的侧向位移增长趋势显著，其增长趋势接近指数增长，其增量逐渐增大，说明随时间的增大，降低黏聚力对围堰变形产生的影响较大。对比降低内摩擦角对围堰侧向位移的影响可知，当时间为120 d时，降低黏聚力发生的位移侧向位移较小，说明黏聚力对围堰侧向位移的敏感性较低，围堰的侧向位移主要受内摩擦角的影响。在实际工程中，由于内摩擦角的敏感性较高，应主要考虑土体内摩擦角变化而产生的围堰变形，辅以黏聚力对围堰位移的影响分析。

4 TRD与抛石结合加固围堰

为改善该围堰的稳定性，采取TRD与抛石结合的方法对围堰进行加固，并根据工程实际监测数据，分析其沉降及水平位移变化规律。选取4个测点对围堰的沉降规律进行分析，其累计沉降-深度曲线见图6。由图6可知，随着深度的增大，各测点的累计沉降均呈先增大后减小的趋势，且随着时间的增大，各测点的最大累计沉降逐渐增大；当深度较小时，相同时间下的累计位移数值较为集中，随着深度的增大，不同测点的沉降数值具有一定的差异性，其中30 d的各测点间的差值最大。当时间为0 d时，各测点的累计位移数值较为集中，其中测点3的累计位移最大；当时间为30 d时，各测点的累计位移数值存在一定的差异性，当深度大于6 m时，各测点间的差异较为明显，其中测点1的累计位移最大。根据相关规范可知，采用TDR和抛石结合加固方案的最大累计位移小于规范规定的限值，说明该加固方案对围堰的稳定性有明显的改善效果，满足实际工程的要求。

图6 累计沉降-深度曲线

选取8个测点对围堰的水平位移规律进行分析，其累计沉降-时间曲线见图7。由图7可知，随着时间的增大，各测点的累计水平位移无明显的变化规律，各测点的累计水平位移主要集中于-0.5～-4.5左右。其中，当时间为0～5 d时，各测点的水平位移均呈下降趋势，且在该阶段围堰的水平位移变化量较大；随着时间的增大，后续围堰水平位移变化相对较为平缓。这是由于当时间较短时，围堰的土体仍处于固结阶段，此时其变形沉降量较大；随着时间的增长，各测点的土体趋于稳定，土颗粒间逐渐致密化，不再发生变形，此时发生的变形量较小。根据相关规范可知，采用TDR和抛石结合加固方案的最大水平位移小于规范规定的限值，说明该加固方案对围堰的稳定性有明显的改善效果，满足实际工程的要求。

图7 累计沉降-时间曲线

5 结 论

本文以某地区围堰为研究对象，分析土体的物理性质对围堰稳定性的敏感性，研究其变化对围堰安全性的影响程度，提出以TRD与抛石结合的围堰加固方法，并分析其加固效果，结论如下：

1) 内摩擦角对围堰的安全系数及侧向位移敏感性较高，黏聚力次之，渗透系数最小。在实际工程中，应主要考虑土体内摩擦角对围堰稳定性的影响，辅以黏聚力对围堰稳定性的影响分析。

2) 下游围堰的安全系数大于上游围堰，说明上游围堰的稳定性较差。上下游围堰内摩擦角-安全系数曲线斜率具有一致性，其差距较小，说明内摩擦角的变化对于上下游围堰稳定性的影响具有一致性，二者之间的敏感性无明显差异。

3) 采用TDR和抛石结合的加固方案的最大水平位移和沉降小于规范规定的限值，说明该加固方案对围堰的稳定性有明显的改善效果，满足实际工程的要求。