（水利工程專業(yè)論文）海河干流治理工程吹填土筑堤研究.pdf

摘要 將吹填工藝用于港口、水利工程已相當普遍，如吹填造陸、吹填固堤等。但 采用吹填工藝將河道新近沉積土搬運上來后，經(jīng)過一段時間的自然固結，再將此 土用于常規(guī)碾壓填筑堤防卻未見報道。吹填土有其自身的特性，將其用于堤防填 筑要滿足施工要求，同時堤防在各種工況下應滿足安全穩(wěn)定性要求和滲流穩(wěn)定性 要求。天津市海河千流治理工程試驗段堤防中成功地實現(xiàn)了吹填土堤防的填筑。 本文結合海河干流治理工程中吹填土筑堤試驗段實際情況，對吹填土筑堤的 可行性、堤防安全性進行了評價。 ( 1 ) 對吹填土的物理力學性質進行了統(tǒng)計分析，為設計研究提供了依據(jù)。 ( 2 ) 采用了近似公式計算法、有限元程序分析法，對吹填土堤防做了滲流 分析計算，并結合吹填土滲透破壞模型試驗結果，對該堤防的滲透穩(wěn)定性做了評 價。 ( 3 ) 采用瑞典圓弧滑動法，計算了堤防斷面在各種運用工況下的抗滑穩(wěn)定 安全系數(shù)，對堤防整體穩(wěn)定性做出評價。 ( 4 ) 應用大型通用a n s y s 有限元結構分析軟件中的d r u c h e r - p r a g e r 本構關 系彈塑性模型，對堤防的沉降、變形及應力水平進行了分析，從應力一應變角度 評價了堤防的安全性。 ( 5 ) 對堤防進行了現(xiàn)場實際觀測，驗證了沉降計算結果。 通過計算分析及工程運轉中實際觀測分析表明，在海河干流治理工程中，用 吹填土成功地筑成了試驗堤段。其為堤防工程修筑提供了一個新的方法，在土地 資源緊張、注重環(huán)境保護的當今形勢下，該方法具有很高的性價比，值得推廣應 用。 關鍵詞：吹填土；堤防工程；滲流：穩(wěn)定性；沉降觀測 a b s t r a c t i t i sv e r yc o m m o nt h a tt h eh y d r a u l i cf i l lt e c h n i q u ei su s e di nh a r b o ra n d b y d r a u l i ce n g i n e e r i n g s ，s u c ha sm a k i n gl a n d sa n dr e i n f o r c i n gl e v e e s b u ti th a sn o t b e e nr e p o r t e dp r e v i o u s l yt h a tt h en e ws e d i m e n te a r t hi nr i v e rw a sc a r r i e du pw i t ht h e t e c h n i q u e ，t h e nu s e di nl e v e ec o n s t r u c t i o nw i t hg e n e r a lr o l l i n gm e t h o da f t e rap e r i o d o fn a t u r a lc o n s t r u c t i o n 1 1 1 eh y d r a u l i cf i l le a r t hh a su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s a n dm u s t m e e tt h en e e d so ft h ec o n s t r u c t i o nw h e nt i l ee a r t hi su s e di nl e v e ec o n s t r u c t i o n a n d t h ec o n s t r u c t e dl e v e em u s ta l s om e e tt h en e e d so ft h es e c u r i t ya n ds e e p a g es t a b i l i t yi n v a r i o u sc o n d i t i o n s t h eh y d r a u l i cf i l le a r t hl e v e ec o n s t r u c t i o nh a db e e ns u c c e s s f u l l y r e a l i z e di nt e s tl e v e e s e g m e n t so ft i a n j i nh a r n e s s i n gp r o j e c tf o rh a l h e r i v e r m a i n s t r e a r n i nt h i st h e s i s ，t h ef e a s i b i l i t ya n ds e c u r i t yo ft h el e v e ec o n s t r u c t i o n sw i t ht h e h y d r a u l i cf i l le a r t hw e r ee v a l u a t e di nc o m b i n a t i o nw i t ht h e a c t u a lc o n d i t i o n so ft h e t e s tl e v e es e g m e n t si nt h ep r o j e c t ( 1 ) t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eh y d r a u l i cf i l le a r t hw e r e a n a l y z e ds t a t i s t i c a l l y , w h i c hp r o v i d e st h eb a s i sf o rd e s i g nr e s e a r c h ( 2 ) t h es e e p a g ea n a l y s i sc a l c u l a t i o nt ot h eh y d r a u l i cf i l le a r t hl e v e e sw e r ed o n e b yu s i n ga p p r o x i m a t ef o r m u l aa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d s ，a n dt h es e e p a g es t a b i l i t y f o rt h el e v e e si nc o m b i n a t i o nw i t ht h er e s u l to ft h ed e s t r u c t i v e n e s sm o d e lt e s to ft h e h y d r a u l i cf i l le a r t hs e e p a g e ( 3 ) t h er e s i s t a n ts l i d i n gs a f e t yf a c t o r sf o rt h el e v e e si nv a r i o u sc o n d i t i o n sw e r e c a l c u l a t e dw i t ht h es w e d e na r cs l i d i n gm e t h o d ，a n dt h ew h o l es t a b i l i t yo ft h el e v e e s w a se v a l u a t e d ( 4 ) t h es e t t l e m e n t ，d e f o r m a t i o na n ds t r e s sl e v e l sf o rt h el e v e e sw e r ea n a l y z e d w i t l lt h ed r u c h e r - p r a g e re l e s t o - p l a sm o d e li nt h ea n s y sf e ms o f t w a r e ( 5 ) t h es e t t l e m e n t so f t h el e v e e sw e r eo b s e r v e de x p e r i m e n t a l l y t h ec a l c u l a t i o na n a l y s i sa n da c t u a lo b s e r v a t i o ns h o wt h a tt h et e s tl e v e es e g m e n t s a r es u c c e s s f u l l yc o n s t r u c t e di nt h eh a r n e s s i n gp r o j e c tf o rh a i h er i v e rm a i n s t r e a m ， w h i c hp r o v i d e san e wm e t h o df o rt h el e v e ec o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g t h em e t h o dh a s av e r yh i g l lp r o p e r t yt op r i c er a t i ou n d e rt h e s i t u a t i o no fl a c k i n gs o i lr e s o u r c ea n d e m p h a s i z i n ge n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nt o d a y , a n di t sw o r t hw h i l et os p r e a da n da p p l y k e yw o r d s ：h y d r a u l i cf i l le a r t h ；l e v e ee n g i n e e r i n g ；s e e p a g e ；s t a b i l i t y ；s e t t l e m e n to b s e r v a t i o n 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨壅盤堂或其他教育機構的學位或證書 而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均在論文中作了 明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：喜串莎斃簽字日期：刎年，2 月加日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解叁鲞盤莖有關保留、使用學位論文的規(guī)定。特授 權墨生盤堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，并采 用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有 關部門或機構交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 導師簽名： 簽字日期汐乒年但月抽日 第一章緒論 1 1 問題的提出 第一章緒論 我國平原地區(qū)河流均建有堤防。據(jù)統(tǒng)計，到2 0 0 1 年全國己建堤防總長達2 5 萬多公里。由于河流蘊含著人們賴以生存的水資源，故河流兩岸往往人口密集， 人均占有土地資源量較少。然而，作為防洪屏障的堤防卻需要大量的土方來填筑。 堤防工程一方面保護了水資源，防止了洪水對兩岸人民生命、財產(chǎn)的威脅，另一 方面卻又占有了極其珍貴的土地資源。實現(xiàn)防洪效益的同時，盡量減小對土地資 源的破壞，降低工程成本，是河道治理工程中急需解決的問題。 在1 9 9 8 2 0 0 0 年進行的天津市海河干流治理工程中上述矛盾較為突出。海 河干流起于子牙河與北運河的交匯處，流經(jīng)天津市區(qū)、東麗區(qū)、津南區(qū)、塘沽郊 區(qū)及塘沽市區(qū)，匯入渤海灣，全長7 3 4 5 k m ，其中郊區(qū)段長4 9 6 k m 。設計行洪流 量為8 0 0 m 3 s 。郊區(qū)段堤防型式為均質土提，需要筑堤土方6 0 0 萬m 3 ，征地取土 地面積6 0 0 0 畝。然而，海河兩岸人口密集，人均占有耕地不足l 畝，征地費較 高，土料到工地價約2 0 元m 3 ，土料費占工程造價的5 0 以上。另一方面，征地 補償費相對農(nóng)民的土地耕種收益很低，實施征地又相當困難。 為了降低工程造價，減小取土對土地的破壞，設計人員構想將海河河道中淤 積土用于堤防填筑。如果該方案可行，則可以大大降低對土地資源的占有，加大 河道行洪能力，有利于河道疏浚，降低工程造價。為了實現(xiàn)上述設想，設計人員 于1 9 9 7 1 9 9 8 年分別在東麗區(qū)、塘沽郊區(qū)選擇了幾個合適的位置進行試驗。其 方式為使用絞吸式泥漿泵將河道淤積土吸上來，通過輸泥管道輸送到原有河道堤 岸后吹填池內(nèi)。待吹填土固結l 2 年后，再用此吹填土筑堤。 設計單位經(jīng)過大量的地質勘察，取得了豐富的第一手資料，于1 9 9 9 2 0 0 0 年完成了吹填土堤防填筑作業(yè)，并進行了后續(xù)工程沉降觀測。 1 2 國內(nèi)外進展情況 1 2 _ 1 吹填土加固技術進展 “吹填”又稱“水力沖填”，其工藝流程是采用水力機械在料場挖土，將土 料攪成泥漿，用壓力管道輸送至作業(yè)面，在作業(yè)面上完成沉積與淤填。吹填土的 工程力學性質較差，吹填土作為工程建設的地基時一般需要加固處理。 隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展，近年來填海造陸工程成為沿海工程建設中的重要 組成都分。填海造陸多采用吹填法，因而吹填土地基的加固技術得到了空前發(fā)展。 第一章 緒論 填海造陸工程在國內(nèi)外都已取得了一定的成績，形成相應的巖土工程實驗、治理、 施工等規(guī)程。吹填材料最理想的是中粗砂，然而很多地方由于砂源緊缺和建設深 港口的需要，不得不采用近海新近沉積的海底軟土( 粘性土) 作為吹填料。而該 軟土在吹填之后需要經(jīng)2 3 年的自然沉積固結，待表面形成硬殼，方可加固處 理。在軟土地基處理工程技術方面近年來發(fā)展迅速，以張誠厚、劉祖德等為代表 的研究者對吹填地基加固如堆載預壓、粉噴樁、夯擴樁、深層攪拌樁、真空預壓 等方面進行了行之有效的研究。但由于受工程條件限制，這種造陸方式在時間和 財力上的耗費都很大。如天津乙烯工程，吹填面積達1 0 k m 2 ，可行性報告擬采用 上述方法加固，造價達2 6 8 元m 2 ，工期需3 年或更久，政府及國外投資方均表 示難以承受。國內(nèi)外類似的大型工程還有黃驊港、深圳鹽田港、青島前彎港、天 津新港、日本大阪港等工程。如何能找到一種更合理、更經(jīng)濟的加固技術，在吹 填的同時就進行加固，使吹填土盡快地從泥漿狀態(tài)轉變?yōu)榫哂幸欢ǔ休d力的地 基，將對圍海造陸工程建設帶來巨大益處。國內(nèi)外許多學者都在致力于把這一設 想付諸實踐，如2 0 世紀7 0 年代后期，日本大阪港采用塑料排水板與真空降水相 結合的方法，取得了理想的效果1 1 】；國內(nèi)張誠厚等于8 0 年代末在連云港采用類似 方法加固吹填土取得了成功【2 j 。用這種方法加固吹填土已邁出了一大步。 但在吹填土的加固機理研究方面，多采用現(xiàn)場試驗，著眼于吹填土宏觀力學 表現(xiàn)，并通過先進的現(xiàn)場監(jiān)測技術，進行信息的采集、反饋和調控，以滿足設計 要求。對吹填土在復雜條件下內(nèi)部排水和強度變化的機制所做研究不足，存在著 理論落后于實際的技術現(xiàn)象，其中最突出的有以下兩個問題【3 l ： ( 1 ) 在理論上，對吹填土排水及強度的本質研究不夠。對吹填土排水及強 度的研究只能依靠“黑箱”理論只研究土樣在插入排水板后，求得的實驗數(shù) 據(jù)如何，不討論形成該數(shù)據(jù)的機理所在。由該實驗建立排水與強度的關系模型， 結合現(xiàn)場監(jiān)測結果，雖然能滿足生產(chǎn)的一般需要，但土中的排水效應被間接地模 擬，即模型不是通過物理性質來解釋的。因此，在生產(chǎn)實際中，土體加固理論只 能采用物理方法，不能上升到理論的認識高度，這樣就給生產(chǎn)上一些較大的工程 帶來了一定的盲目性和隨機性，導致吹填土加固的理論計算與實際偏差較大。 ( 2 ) 在實際應用上，塑料排水板與真空降水相結合的方法在應用上與工程 要求還有一定的差距。例如，在吹填土中打設塑料排水板還需要相當長的沉淀時 間，這無疑要延長工期；地基內(nèi)如夾有排水砂層，真空降水的密封性不夠，將會 大大降低加固效果。 第一章緒論 1 _ 2 2 吹填筑堤技術進展 土料吹填筑堤，即在擬筑堤處修建圍堰，用吹填方法將土料分層淤固形成堤 防。此種方法要求的堤防斷面大，土料為非粘性土或少粘性土，施工后做斷面的 穩(wěn)定性校核計算，必要時做修正斷面設計【4 】。此種筑堤方法比較成熟，已寫進堤 防工程施工規(guī)范s l 2 6 0 9 8 。例如在黃河下游堤防加固工程中大量采用了淤填固 堤技術。 編織布袋充填砂土筑堤是吹填筑堤的另一較為成功的方法，將砂土分層吹填 進編制布袋中，兩側邊坡做防護，視情況再做防滲處理。如上海石洞口電廠儲灰 場灰壩及上海寶鋼陳行水庫等都采用了上述筑堤方法。 上述兩種吹填筑堤方法技術簡單，工程造價低，但適用性受到限制，需要有 可靠的砂源，較大的施工場地。 將軟土地基加固中的抽真空預壓固結法用于吹填筑堤是新近提出的一種吹 填筑堤方法。2 0 0 1 年在天津市海擋加固工程中，天津市水利科學研究所做了吹填 真空預壓筑堤原型實驗。實驗將新近沉積的海灘淤泥作為吹填土料，分層吹填、 分層抽真空預壓，使吹填土在短時間內(nèi)固結。但該工藝繁瑣，且由吹填的要求造 成堤防斷面較大，土方量大，工程占地也較大。堤防斷面由吹填土真空預壓形成， 堤防土體密實度不高，筑堤后的沉降量較大。該工藝堤防延米工程造價約l 萬元， 比一般均質土堤高近1 倍，經(jīng)濟效益較差。 在國內(nèi)外，堤防型式主要為土堤、石堤、土石結合堤，在國外也發(fā)現(xiàn)有灰土 堤、鋼渣堤等少有堤型，都體現(xiàn)了堤防工程設計中的因地制宜、就地取材的主導 思想。在土地資源緊張，堤防斷面不能過大，又沒有合適的非粘性吹填土料的情 況下，將河道中的新近淤積土吹填上來，經(jīng)過短期的自然固結，然后做簡單的翻 曬處理，再用于筑堤則是一個很好的構想。 1 3 本課題所做工作 本文結合海河干流治理工程吹填土筑堤試驗段實際情況，對吹填土筑堤設計 典型斷面進行了安全復核計算，所做的工作有如下幾個方面： ( 1 ) 海河干流吹填土的物理力學性質分析。由于吹填土源的不同，吹填土 的性質變化較大，對天滓市水利勘測設計院所做的地質勘奄數(shù)據(jù)進行分析總結。 ( 2 ) 滲流分析。本文采用了堤防工程設計規(guī)范中的公式近似計算法和滲流 有限元法，對堤防典型斷面進行了滲流分析計算。進行吹填土滲透破壞模型試驗， 研究吹填土堤防斷面是否滿足滲流穩(wěn)定要求。 第一章緒論 ( 3 ) 堤防整體穩(wěn)定分析。本文采用瑞典圓弧滑動法，計算了堤防典型斷面 在各種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。 ( 4 ) 變形分析。使用a n s y s 通用大型有限元軟件，采用d r u c h e r - p r a g e r 模 型，對堤防斷面的沉降、位移及應力水平進行了分析。 ( 5 ) 沉降觀測。試驗段工程完工，間隔一定時間后觀測堤頂沉降量。實測 沉降量與計算值進行了對比，從而驗證了沉降計算分析的可靠性。 通過上述工作，可以判斷海河干流吹填土是否滿足筑堤要求，判斷擬定斷面 是否滿足滲透穩(wěn)定性及邊坡的抗滑穩(wěn)定性要求，從而對吹填土堤防的可行性及安 全性做出綜合評定。 第二章海河干流吹填土筑堤工程概況 第二章海河干流吹填土筑堤工程概況 2 1 海河干流治理工程吹填試驗段概況 海河干流為天津市重要行洪河道，由于近年河道及河口淤積及地面下沉，使 河道行洪能力大為減弱，河道的實際泄洪能力現(xiàn)只有2 5 0 3 0 0 m 3 s 。海河干流治 理工程始于1 9 9 7 年，于2 0 0 0 年完工。治理內(nèi)容包括堤防加固、河口清淤及穿堤 建筑物加固改造等：治理后達到標準為河道設計行洪能力8 0 0 m 3 s ，工程等別為 i i 等，堤防及穿堤建筑物級別，市區(qū)段為2 級，郊區(qū)段為3 級。河道正常水位2 5 m ( 大沽高程，下同) ，設計洪水位5 0 7 3 8 5 m ，堤頂高程6 3 2 5 3 2 m ，設計堤 頂寬6 m 。 由于堤防工程需要大量土方，且就近取土困難，設計單位結合原海河堤后及 河道灘地實際地形，選擇適合堤段在原堤后洼地、坑塘進行了吹填。一方面做到 對堤基填塘加固，另一方面可利用剩余吹填土進行堤防填筑。吹填段見表2 1 ， 吹填工程位置見附圖。 表2 - 1 設計吹填段一覽表 2 2 吹填施工工藝 施工機械由絞吸式泥漿泵輸泥系統(tǒng)和配電系統(tǒng)組成。前者包括絞吸泥漿泵、 浮體、輸泥管。后者包括發(fā)電機組、配電箱和防水電纜。吹填工藝流程見圖2 1 。 吹填施工過程為先對沉淀池清基、修沉淀池圍堰，圍堰材料用沉淀池的清基 土，內(nèi)側邊坡鋪一層過濾型土工布。圍堰外側挖一道排水溝，沉淀池滲水由排水 溝排出。吹填池間隔5 0 8 0 m 設一道橫向圍堰。圍堰頂溢水口與進泥口相距2 0 0 m 以上。泥漿泵通過輸泥管將從河道水下絞吸上來的泥漿輸送到沉淀池，泥漿沉淀 后，不易沉淀的懸浮顆粒及水從圍堰頂溢流口排出。泥漿泵連續(xù)向沉淀池內(nèi)輸送 泥漿，直到淤積泥漿的達到距離圍堰頂0 2 m 左右停止輸送泥漿，移至下一池吹 第二章海河于流吹填土筑堤工程概況 填。待前一池固結1 0 天后再吹填第二層，使吹填作業(yè)循環(huán)進行，直至達到設計 吹填高程。 廠_ 1 土料場勘探h 確定吹填土料1 匠巫一 l 匱受匾蛩_ 蓮墮亙 僮垂豳 泥漿泵絞吸泥土j 吹填池l h 廠一l 一l 【 匣擊麗卜一掣劃i 辛幽墜匾】壓力管道輸送卜一 一j 卜2 2 2 一結束】 困豇j 圖2 - 1吹填工藝流程圖 在吹填施工中，往往會出現(xiàn)輸泥管出口的近端粗顆粒比較集中，遠離出泥口 端的細顆粒比較集中，而且沿池深方向泥漿中的土顆粒由于受重力作用的影響而 沉淀，形成上面土顆粒較細，下面顆粒較粗的自然分離狀態(tài)。從現(xiàn)場開挖實驗中， 可明顯見到厚薄不等的粘性土夾層，一般厚度3 c m ，而且分布不均。這種現(xiàn)象需 通過移動輸泥管出口位置加以控制，輸泥管口日移動2 3 次。 吹填工藝為水力機械化土方施工，以模擬自然界水流沖刷原理借助于水的作 用來進行挖土、輸土、填土。吹填施工不受天氣影響，在一般的土質情況下，輸 送距離2 0 0 m 以內(nèi)，揚程l o m 以下，每臺班可完成吹填土方1 0 0 2 0 0 m 3 ，工效 較高。 2 3 吹填土筑堤設計斷面 吹填土筑堤典型斷面型式見圖2 2 。 各吹填段均在海河干流下游段，相距較近，河道設計洪水位3 8 4 3 8 0 m ， 堤頂高程5 9 4 5 9 0 m 。原有堤防為歷年防洪搶險加固而成。經(jīng)勘查分析，其堤 身土質量基本滿足堤防設計要求，其堤頂高程及堤寬均不滿足防洪要求，臨河側 原有漿砌石護岸可以利用。設計斷面利用原有堤防做前戧，復土堤，前后邊坡坡 比1 ：2 5 ，堤頂寬6 m ?？紤]吹填土抗雨淋能力低，并結合環(huán)境綠化及水土保持的 要求，兩側堤坡做種植草皮防護。原有漿砌石墻護岸前做拋石防護。 原堤后吹填土堤基經(jīng)自然固結，表面形成了縱橫交錯的裂隙。為切斷此滲漏 通道，吹填土表層8 0 c m 厚采取換基處理。下部吹填土雖處于欠固結狀態(tài)、含水 量大、壓縮性高、承載力低，但由于堤防高度不大，堤基附加應力不大。經(jīng)計算， 第二章海河干流吹填土筑堤工程概況 若下部吹填土不做加固處理，復堤后堤基不會被破壞。故下部吹填土堤基不再做 加固處理。 上部堤身填筑土采用吹填土。土料經(jīng)過翻曬處理后，分層碾壓填筑。控制壓 實度不小于o 9 0 。施工預留沉降超高按堤高的5 計算。 經(jīng)過1 年1 年半的自然固結，各吹填段分別在1 9 9 9 年2 0 0 0 年完成了堤 防填筑。 2 4 吹填土堤防經(jīng)濟效益 按2 0 0 0 年物價指標計算，經(jīng)過1 年自然固結后的吹填土方成本單價為8 元m 3 ，土料翻曬及筑堤碾壓造價為1 0 元m 3 。綜合計算，吹填土堤防延米工程造 價為2 1 0 0 元m 。常規(guī)征地取土，土方單價為2 1 元m 3 ，延米工程造價為2 9 7 0 元 m 。海河干流吹填土筑堤試驗段工程直接投資1 5 9 6 萬元，比常規(guī)征地取土筑堤 節(jié)約投資6 6 1 萬元。用河道吹填土筑堤具有明顯的直接經(jīng)濟效益。同時，吹填土 筑堤減少了土地征用，節(jié)省了土地資源，保護了環(huán)境，而且有利于河道疏浚，其 效益顯著。 第二章海河干流吹填土筑堤工程概況 8 匝阻炻副球#秘驊搭刊翳瞽 n - 乙囤 第三章海河干流吹填土的物理力學性質分析 第三章海河干流吹填土的物理力學性質分析 3 1 吹填料場地層分布特征 吹填土料場位于堤腳外4 0 m 的水下灘地。料場揭露地層均為第四系全新統(tǒng)地 層，土壤類別及性質自上而下分布如下： ( 1 ) 淤泥，普遍分布于河底，厚度o 6 1 1 m ，深灰色，流塑狀，以極細粒 為主，含有大量有機質： ( 2 ) 淤泥質粉質粘土，厚度o 4 2 o m ，黃灰色，流塑狀，含有大量有機質； ( 3 ) 粉土，厚度o 4 2 9 m ，灰色，飽和，軟塑流塑狀，含碎貝殼： ( 4 ) 粉質粘土，最大可見厚度6 4 m ，灰色，飽和，軟塑流塑狀，含碎貝 殼。 高程1 3 m 以下的粉土、粉質粘土層為吹填取土層。料場取土層顆粒組成 見表3 。1 。按顆粒組成，吹填土料滿足筑堤要求。 表3 1 料場土層顆粒組成特征 3 2 吹填土的物理性質 3 2 1 顆粒組成 在東麗區(qū)大鄭莊至魏王莊段6 個吹填池中取了1 0 組土樣，在塘沽郊區(qū)3 個 吹填池中取了1 4 組土樣，做顆粒組成分析，統(tǒng)計平均值見表3 - 2 。按粘粒含量判 斷，東麗區(qū)吹填土滿足堤防工程設計規(guī)范中均質土堤的粘粒含量1 5 3 0 的要 求，塘沽郊區(qū)吹填士粘粒含量偏低。 表3 - 2 穎粒組成分析統(tǒng)計表 與吹填料場土相比，兩個區(qū)的吹填土粘粒及粉粒含量均有不同程度降低。泥 漿在沉淀過程中，部分細小顆粒被水帶走，造成了顆?！按只薄ｎw粒土層在垂 第三章海河干流吹填土的物理力學性質分析 直分布上，呈細致層理結構，粘土、粉土、碎貝殼、細砂交互層疊：顆粒在水平 分布上，距出泥口越遠土粒越細，出泥v i 附近存在大量碎貝殼。 3 2 2 物性指標 吹填后一年，表層o 5 0 8 m 厚為風干固結的硬殼層，并出現(xiàn)較深的龜裂： 下部吹填土仍呈軟塑流塑狀。吹填土硬殼層下土的物理力學性質統(tǒng)計見表3 3 。 東麗區(qū)硬殼層下部吹填土物性指標平均值為含水量4 7 6 ，孔隙比1 3 6 3 ， 塑性指數(shù)1 6 7 ，干容重1 1 7 9 c m 3 ，室內(nèi)擊實試驗最大干容重為1 6 7 9 c m 3 ，最優(yōu) 含水量1 8 5 。塘沽郊區(qū)硬殼層下部吹填土物性指標平均值為含水量3 0 9 ，孔 隙比0 9 2 7 ，塑性指數(shù)7 8 ，干容重1 4 1 9 c m 3 ，土樣室內(nèi)擊實試驗最大干容重1 7 1 g c m 3 ，最優(yōu)含水量1 5 5 。按塑性指數(shù)分類，東麗區(qū)吹填土為粉質粘土，塘沽郊 區(qū)吹填土為粘質粉土。 由吹填后半年、一年及一年半土的物理性質看，上部硬殼層逐漸增厚，下部 吹填土物理指標變化不大，固結緩慢。 由一年后原狀土樣的滲透試驗，東麗區(qū)吹填土垂直平均滲透系數(shù)為1 9 3x 1 0 一c m s ，水平平均滲透系數(shù)為1 2 2 1 0 。4 c m s ；塘沽郊區(qū)垂直平均滲透系數(shù)為2 0 5 1 0 一c m s ，水平平均滲透系數(shù)為1 8 3 1 0 。4 c m s 。原有堤防及堤基土平均滲透系 數(shù)為1 1 0 - 5 e m s 。 吹填土表層干縮裂縫經(jīng)現(xiàn)場碾壓后，做注水試驗，發(fā)現(xiàn)表層8 0 c m 內(nèi)土層滲 透系數(shù)平均為5 3 2 1 0 - 2 c m s 。 取兩個區(qū)的吹填土樣，重塑，按壓實度0 9 0 擊實，做滲透試驗，滲透系數(shù)相 近，平均值為3 2x1 0 一c m s 。 3 3 吹填土的力學性質 3 3 1 抗剪強度 吹填一年后下部吹填土土樣的直剪快剪指標如下。東麗區(qū)土樣內(nèi)摩擦角o = 2 。2 9 5 。，平均值為8 7 。；粘聚力c = 5 2 6 k p a ，平均值為5 9 k p a 。塘沽郊區(qū) 土樣內(nèi)摩擦角中= 5 。3 0 5 。，平均值為1 2 4 。：粘聚力c = 5 7 1 3 2k p a ，平 均值為9 8 k p a 。吹填一年半后，吹填土硬殼層下原位電測十字板剪切試驗成果見 表3 4 、表3 5 。 l o 第三章海河干流吹填土的物理力學性質分析 3 3 3 壓縮性 吹填后一年，硬殼層下部吹填土壓縮性質，東麗區(qū)土的壓縮系數(shù)a 1 - 2 = 0 2 4 表3 3吹填土硬殼層下土層物理力學性質統(tǒng)計表 層琴 含水重度干重度孔隙液限塑限塑性液性凝聚內(nèi)摩壓縮壓縮十字板 名量 ( k n m 3 ) ( k n m 3 ) l t ( 呦( ) 指數(shù)指數(shù)力擦角系數(shù)膜量強度 稱 號()(1(pa)( ) ( m p a 。) ( m p a ) ( k p a ) 1 避最小值 1 871 6 39 8o 5 9 92 1 11 6 74 4 o4 55 2 0o 1 01 4 167 8 扼 霹最大值 6 6 4 2 0 51 6818 0 75 09 2 6 o2 4 92 0 32 6 3 0515 91 2 3 53 3 4 2 塋數(shù)據(jù)個數(shù)2 1 2 12 12 12 l 2 12 12 11 11 1 2 0 2 02 3 平均值3 9 21 8 1 1 3 11 1 0 93 352 0 6 1 2 91 3 81 51 1 005 452 41 75 6 標準差 1 3 2101803 2 78 , 42 46 2o 4 271 00 431 384 7 變異系數(shù)0 3 4o 0 6 0 1 4 標準值 2 耄劇、值3 1 21 891 4 4 土最大值 3 1 71 9 21 46 數(shù)據(jù)個數(shù)2 22 平均值 3 1 5 1 9 01 45 標準差0 4 0 20 1 變異系數(shù)0 0 10 0 lo0 1 標準值 3 毽最小值 2 7 31 851 4 0 地 粘最大值 3 3 11 9 21 5 數(shù)據(jù)個數(shù)666 平均值2 9 91 891 4 5 標準差2 40 20 4 變異系數(shù)00 8o0 1 0 0 3 標準值 4 箍剮、值2 7 9 1 75 1 2 9 粘最大值3 5 8 1 8 71 4 5 土 數(shù)據(jù)個數(shù)787 平均值 3 1 51 8 , 41 40 標準差 3 30 40 6 變異系數(shù)0 1 10 0 2 0 0 4 標準值 02 90 2 50 1 20 4 80 3 00 4 8 1 3 08 7 93 6 l1 9 2 1 6 90 3 02 9 0 9 0 94 752 432 3 207 44 5 222222 08 9 44 l82 1 82 00 00 2 i813 64 5 00 20 】90 1 702 2 08 0 52 8 2 09 6 l4 48 68 0 8 7 33 4 1 o0 6 45 5 0 0 70 1 6 0 8 52 5 9 11 2 63 59 77 09 3 83 0 o 134 0 1 10 l l 1 8672 2 322 16 88 2 0 4 1 37 14 49 0 0 703 6 1 7383 2 09 1 67 77 1 9 2 1 08 1232 00 60 2 9 05 23 7 0 3 ll l 06 0 03 1 o 3 91 0 1 2 23 5 66 08 22 4 0 2 71 0 03 30 4 2 1 9 07 6 1 0 】4 13 6 67 10 81 8 0 2 81 0 0 2 60 5 4 1 4 0 9 l 1 1 0 40 1 0 5 2 73 4 6 06 3 65 1 l5 5 7 9 2 2 0 2 8 7 9 2 1 65 6 6 1 5 4 0 8 9 6 1 0 0 1 05 6 5 0 2 9 0 1 8 0 6 3 o 2 3 0 7 6 8 0 4 9 0 1 9 0 3 9 35 1 8 5 7 5 9 1 2 6 0 7 0 6 6 3 3 7 26 6 8 2 2 8 48 0 2 2 2 0 4 6 33 0 0 4 8 1 3 2 4 6 8 13 6 1 0 0 7 3 2 9 1 0 5 1 37 0 1 5 4 26 2 4 89 1 3 4 6 6 5 3 5 0 0 0 8 叭據(jù) 如 舛 引 o 4 4 5 2 4 o o 弭 弘 勰呻 o 0 o 2 0 o o 第三章海河干流吹填土的物理力學性質分析 1 2 第三章海河干流吹填土的物理力學性質分析 1 2 6 m p a 1 ，平均值為0 8 4 m p a 1 ；壓縮模量e s = 2 1 4 5 5 1 m p a , 平均值3 5 8 m p a 。塘 沽郊區(qū)土的壓縮系數(shù)a 1 2 = 0 0 6 o 4 0 m p a q , 平均值為0 2 5 m p a 1 ：壓縮模量e s = 7 0 7 3 0 6 3 m p a , 平均值1 4 5 7 m p a 。 3 4 吹填土工程性質綜合分析 通過對吹填土的物理力學性質檢測試驗，海河干流吹填土具有如下的工程性 質： ( 1 ) 吹填工藝造成的土料顆?！按只笔沟么堤钔林姓沉：科停瑬|麗 區(qū)吹填土屬于粉質粘土，塘沽區(qū)吹填土屬于粘質粉土。由于吹填出泥口的位置不 同，吹填土的工程性質差異性較大，用吹填土筑堤應結合翻曬做拌和處理。 ( 2 ) 吹填土表層龜裂深度范圍內(nèi)，由于裂縫的存在造成難以壓實，滲透系 數(shù)過大，應以挖換處理。下部土層水平滲透系數(shù)較大，應做滲透穩(wěn)定分析以確定 是否需要做防滲工程措施。 ( 3 ) 由于吹填段位于堤后地勢低洼處，地下水位較高，吹填土固結以表層 水分蒸發(fā)為主，地下水位以下部分固結緩慢。下部吹填土含水量大、抗剪強度低、 壓縮性大，呈現(xiàn)軟土特征。吹填土堤基是否需要處理，應對擬定設計斷面做邊坡 穩(wěn)定分析及應力應變分析后確定。 第四章滲流分析 第四章滲流分析 4 1 滲流分析內(nèi)容及方法 滲流分析內(nèi)容包括：( 1 ) 計算浸潤線位置，為堤防邊坡穩(wěn)定計算提供參數(shù)； ( 2 ) 計算出逸點的位置、溢出段及背水側堤基表面的出逸比降，與試驗允許比 降值比較，從而評價堤防斷面的滲透穩(wěn)定性。 考慮堤防滲透穩(wěn)定的重要性，滲流分析擬采用理論公式法、有限單元法及實 物模型試驗法等三種方法進行分析計算。 4 2 滲流計算工況 堤防的擋水是有時間性的，在擋水時間內(nèi)不一定能形成穩(wěn)定滲流的浸潤線， 但海河干流為天津市重要的行洪河道，堤防級別為3 級，應按穩(wěn)定滲流計算。 計算工況水位組合為：( 1 ) 臨河側為設計洪水位3 8 2 m ，背河側為相應低水 位1 5 0 m ：( 2 ) 洪水位在1 2 小時內(nèi)由3 8 2 m 降落到3 0 m 。 4 3 公式法滲流計算 4 3 1 基本假定 實際筑堤土料各部位、各方向的性質不同，即使是相同的土料在分層碾壓的 旌工工藝下也會造成水平向與豎向性質的不同。按吹填土的顆粒分析，吹填土為 細顆粒土，滲流計算可假定各項同性，按均質壩計算。壩身土滲透系數(shù)按吹填重 塑土平均值計算，壩基土滲透系數(shù)采用加權平均法確定。 4 3 2 浸潤線計算 4 3 2 1 滲流基本方程 根據(jù)已有研究，當土體中滲流為層流時，滲流滿足達西定律。一般認為，雷 諾數(shù)r e 1 0 時，達西滲流定律就可以滿足。 根據(jù)水的密度p ， 雷諾數(shù) 流速v ，水的粘滯系數(shù)r t r e = p v d r 土粒子平均粒徑d ，可以算出 ( 4 - 1 ) 第四章滲流分析 考慮水的密度p = 1 o ( g c m 3 ) ，水溫1 0 時水的粘滯系數(shù)q = o 0 1 3 1 ( g s e e e r a ) ， 一般流速v = 0 2 5 ( c m s e c ) ，則滿足達西滲流定律的土的平均粒徑d d 行r e p v o 5 2 m m ( 4 - 2 ) 海河干流吹填土平均粒徑小于o 5 2 m m ，滿足達西滲流定律。 由達西定律 仇：一缸絲：v ，：一b 塑( 4 3 ) c 洲 連續(xù)條件 塑+ 塑：o ( 4 - 4 ) o x 砂 得二維各向異性土穩(wěn)定滲流期的連續(xù)方程 缸警+ 島害= 。 s ， 當土各向同性時，k ，= k 。，則得滲流基本( l a p l a c e ) 方程 箕+ 罌：o ( 4 - 6 ) o x 2 8 y 2 4 3 2 2 穩(wěn)定滲流期浸潤線 按照滲流計算分析與控制中對l a p l a c e 方程的積分簡化可得浸潤線計算 公式： 。，字q + t 等 ， z 口 式中，口f ：k + v 百而h i - h o 。 一nt=qt-l，+i：i：i；憊+(,。+0sxho-z1)+m,z,+044rkot 一皿= 1 + i ：i ：i ；i ：芝考i i i 磊1 + i = ( o 5 1 0 x l + m h 。) ( 4 - 8 ) 瑤一日 蘭州 一r 糾l 第四章滲流分析 單位寬度滲流量由堤身滲流量和堤基滲流量兩部分組成 a = a 。+ t 。j j 糕 驢七毒2 南2 l l = l + 她 ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) 址：生日，( 4 1 2 ) 2 m 1 + 1 1 式中符號意義如圖4 - 1 。 式中q 、q d - 一總單位寬度滲流量、堤身單位寬度滲流量( m 3 i s m ) ； k 、k o 堤身、堤基滲透系數(shù)( 州s ) ； h l 、h 廠一上游、下游水位( m ) ； m 卜m 廣上游、下游坡率； h 曠一下游出逸點高度( m ) 。 圖4 - 1 浸潤線計算示意圖 本試驗段工程中，h 1 = 3 8 2 m ，h 2 = 1 5 0 m ，m l = m 2 = 2 5 ，堤身土平均滲透系數(shù) 取k = 3 2 1 0 c m s ，堤基土平均滲透系數(shù)取k 0 - l 1 0 e n d s ，計算結果為 h 0 = 1 5 6 7 m ，浸潤線坐標值見表4 1 。 表4 - 1 穩(wěn)定滲流期浸潤線計算結果 x ( m ) 0 13 58 ，81 31 51 8 72 232 34 第四章滲流分析 4 3 2 3 水位驟降時的浸潤線計算 水位驟降時，堤身內(nèi)浸潤線位置與筑堤土的滲透數(shù)k 、水位降落速度v ，土 體的給水度“有很大關系。當k p v 一 6 0 時，浸潤線為急降過程，堤身滲流自 由面保持總水頭1 0 以下，己不影響堤坡穩(wěn)定，因此，一般不需要進行上游坡的 水位降落穩(wěn)定計算。只有在1 l o 1 3 5 時，為流土型： 當p 。 2 5 時，為管涌型；當2 5 p 。 3 5 時，為過渡型。 海河干流吹填土不均勻系數(shù)c 。= 9 2 2 0 9 ，p 。= 4 4 - - 6 2 ，滲透變形類型應為 流土型。 4 3 3 2 吹填土允許滲流比降確定 流土型土的臨界滲透比降按以下公式確定： ，。，= ( g 。一1 x 1 一n ) ( 4 1 8 ) 式中，j 。廠一土的臨界滲透比降； g s _ 一土的顆粒密度與水的密度之比； n 土的孔隙率( ) 。 土的允許比降以土的臨界比降除以1 5 2 0 的安全系數(shù)確定。本工程中吹填 土性質復雜，取安全系數(shù)2 0 ，確定吹填土的允許滲透比降值為0 6 。 4 3 3 3 背水坡滲流出口比降計算 下游滲流出口的比降，其精確計算極為復雜，按照滲流計算分析與控制 中的近似假定，簡化計算示意如圖4 3 ，計算公式如下： 第四章滲流分析 沿滲出段a b ，= 志” 沿浸沒坡b c 沿浸沒堤基面c d 圖4 - 3 滲流出口比降計算示意圖 幾瓦黼 ( 4 1 9 ) ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) 1 2 志( 4 - 2 2 ) 經(jīng)計算得，j a = 0 1 8 ，j b = 0 2 3 ，j c = o 2 8 。堤防背水坡滲透穩(wěn)定滿足安全要求。 4 4 滲流有限元分析 4 4 1 滲流分析有限元法原理及計算公式 有限元法是按照變分原理，求泛函積分找其函數(shù)值，即把微分方程及其邊界 條件轉變?yōu)橐粋€泛函極值的問題。有限元法的計算步驟如下： ( 1 ) 將概化的偏微分方程的定解問題化為相應的變分問題。 ( 2 ) 離散化：將求解域劃分為具有一定幾何形狀的單元，進行單元編號， 并確定插值函數(shù)，對節(jié)點進行總體編號和單元上的局部編號。 第四章滲流分析 ( 3 ) 單元分析：以單元節(jié)點水頭函數(shù)值的插值函數(shù)來逼近變分泛函方程中 的水頭函數(shù)，得出單元上以節(jié)點水頭值為未知量的代數(shù)方程組，從而導出單元滲 流矩陣。 ( 4 ) 總體滲流矩陣合成：由單元滲透矩陣合成總體滲透矩陣，并以定解條 件代入，從而得出整個求解區(qū)域上的總體有限元方程。該合成過程由節(jié)點局部編 號與總體編號的關系來確定。 ( 5 ) 求解線性代數(shù)方程組，求解各節(jié)點的未知水頭值。 ( 6 ) 結果分析及其他相應所需物理量的計算。 二維滲流有限元基本方程為 k m + 圳詈 = q ) ( 4 2 s ) 式中，k 滲透系數(shù)矩陣； 日 總水頭向量； i ml 單元儲水量矩陣； 9 卜一流量向量； 鱖降匱磬w r 巧p 悱 三黝 式中為各向異性透水的最大滲透系數(shù)方向角。 節(jié)點水頭求單元內(nèi)任意點水頭為： f h l l 日b ，_ y ) = m n ：n ， t h ： ( 4 2 4 ) 【凰j n l = - 】+ b l x + c l y ) 2 a n 2 = 忙2 + b 2 x + c 2 y ) e a m = 忙3 + b 3 x + c 3 y ) 2 a 式中，a 1 = x 2 y 3 一x 3 y 2 ，口2 = x 3 y