高水位下管袋堤體穩(wěn)定性分析

高水位下管袋堤體穩(wěn)定性分析

條子泥質(zhì)壓縮技術(shù)的海堤是以填充夾卵石邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)的形式，由堤和國(guó)內(nèi)外護(hù)坡保護(hù)。內(nèi)外斜坡之間的裸體砂巖被移除，然后使用填充填充的砂和內(nèi)、外、排水溝為坡腳防護(hù)，設(shè)計(jì)水庫(kù)高度。原灘面高程為2.0m,堤身高7.0m,堤頂寬8.0m,臨海側(cè)上下級(jí)坡比均為1∶2.5,在高程6.0m處設(shè)有寬5.0m的平臺(tái);背海側(cè)坡比為1∶3,在高程5.5m處設(shè)有寬3.0m的平臺(tái)。充填砂袋土工布采用150g/m2編織布,每層砂袋高0.5m。臨海側(cè)水位采用50年一遇高潮位7.1m,背海側(cè)為常水位1.8m。堤身堤線的地基表層土主要由四層土構(gòu)成,由上到下分別為:層(1)堤身土。高程2.0~9.0m;層(2)粉質(zhì)砂壤土。高程2.0~-1.0m,分布于場(chǎng)地表層;層(3)輕粉質(zhì)砂壤土夾粉砂。高程-1.0~-4.0m。層(4)粉砂。高程-4.0~-22.0m,分布于整個(gè)場(chǎng)地的下部。為此,本文利用大型巖土FLAC3D軟件模擬條子泥Ⅰ期壓圍工程管袋堤體典型斷面,通過(guò)分析其在某高水位下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、滲透穩(wěn)定性、邊坡穩(wěn)定性及地震荷載下壩體的液化情況來(lái)研究壩體的整體安全性。1模型邊界及模型單元為充分模擬結(jié)構(gòu)物和地基土體的分層情況,構(gòu)建了圍堤結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型,計(jì)算模型及動(dòng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖1。水平方向?yàn)閤向(向右為正),以兩側(cè)坡腳為基準(zhǔn)向外取50.0m作為計(jì)算邊界。豎直向?yàn)閦方向,原灘面向下取24.0m作為計(jì)算邊界,每層管袋的充填高度為0.5m,堤體由14層充填管袋堆積而成。y向平行于堤軸線,取單位長(zhǎng)度。模型底部固定約束,x、y向兩側(cè)邊界設(shè)法向約束,模型頂部為自由邊界。模型共有1402個(gè)單元體,3064個(gè)節(jié)點(diǎn),土體單元采用摩爾庫(kù)倫模型,充砂管袋則用土工格柵單元模擬。默認(rèn)情況下,土工格柵構(gòu)件采用CST殼有限單元,即能抵抗薄膜荷載而不能抵抗彎曲荷載,一般用于模擬與土相互剪切作用的柔性薄膜。土體單元參數(shù)見(jiàn)表1,格柵單元參數(shù)見(jiàn)表2。2計(jì)算與分析2.1土體材料應(yīng)力圖2為堤體在外荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算云圖。由圖2可看出:(1)堤體主要受壓應(yīng)力作用,最大應(yīng)力出現(xiàn)于計(jì)算模型臨水面底部,最大拉應(yīng)力為0.3kPa,小于土體材料的抗拉強(qiáng)度(20kPa),未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū),不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度破壞;(2)堤體主要發(fā)生豎向位移,結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為下沉狀態(tài),堤頂最大豎向位移14.9cm,水平向位移較小(2.6cm),發(fā)生在堤體內(nèi)側(cè)坡腳處。2.2滲流對(duì)基和堤身的影響堤體的滲流是由于堤體臨水側(cè)與背水側(cè)的水頭差產(chǎn)生的,隨著洪水位的升高,堤基和堤身的滲透坡降不斷增大,當(dāng)滲流產(chǎn)生的滲透坡降大于土體材料的允許滲透坡降時(shí),土體發(fā)生滲透破壞。表3為堤體各土層的最大計(jì)算滲透坡降值。由表3可看出,各土層的最大計(jì)算滲透坡降值均小于允許坡降值,堤體滿足滲流穩(wěn)定要求。2.3堤體邊坡穩(wěn)定性判斷堤體邊坡失穩(wěn)破壞是指堤體局部滑坡或整體滑坡從而引發(fā)潰決,在高水位下大多表現(xiàn)為背水側(cè)的背水坡滑坡。本文通過(guò)強(qiáng)度折減法求得堤體邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)來(lái)判斷堤體邊坡的安全性。經(jīng)計(jì)算,堤體典型斷面在高水位下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.71,大于臨界安全系數(shù)1.30,表明在此工況下,堤體邊坡處于安全狀態(tài)。圖3為堤體典型斷面結(jié)構(gòu)在高水位下的切應(yīng)變?cè)隽吭茍D。由邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分析可得高水位下當(dāng)?shù)腆w結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑動(dòng)破壞時(shí),滑出點(diǎn)位于下游邊坡角點(diǎn)附近,滑裂面呈圓弧狀。2.4管袋內(nèi)土體所受應(yīng)力所受圖4為土工織物單元的最大主應(yīng)力云圖。由圖4可看出,土工管袋所受應(yīng)力比管袋內(nèi)土體所受應(yīng)力大一個(gè)數(shù)量級(jí),表明管袋對(duì)土體起束縛作用,管袋內(nèi)土體所受的應(yīng)力一部分轉(zhuǎn)移到了管袋上。管袋所受最大拉應(yīng)力為103kPa(即0.515kN/m),遠(yuǎn)小于管袋的抗拉強(qiáng)度4.74kN/m,表明管袋是安全的,不會(huì)被拉壞。2.5管袋間滑動(dòng)面的計(jì)算根據(jù)極限平衡原理,并引入滑動(dòng)安全因子判斷管袋層間的穩(wěn)定性,當(dāng)考慮管袋在水壓力、浪壓力作用下的受力情況時(shí),滑動(dòng)安全因子為:式中,μ為上下層管袋間的摩擦系數(shù),取0.28;W′為抗滑力,浸潤(rùn)線以下采用飽和密度,浸潤(rùn)線以上采用自然密度;P為滑動(dòng)力,包括水壓力和浪壓力。FS計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4(表中“1/2”表示第一層管袋與第二層管袋之間的滑動(dòng)面,依次類推;“14/原灘面”表示最底層管袋與原灘面之間的滑動(dòng)面)。由表4可看出,各層間的FS>1.0,管袋之間不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn),且FS由上到下逐漸增大,表明上層管袋比下層管袋易發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)。2.6監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度及變形對(duì)堤身結(jié)構(gòu),地震作用的不利影響主要表現(xiàn)為堤基砂土液化和堤身大變形失穩(wěn)。在對(duì)堤基砂土液化進(jìn)行分析時(shí),引入地震液化度的概念,用有效應(yīng)力法分析土體動(dòng)力穩(wěn)定性。液化度為:式中,Δμ為超孔隙水壓力;σ′v、σ′v0分別為當(dāng)前和初始平均有效應(yīng)力。圖5為輸入的唐山地震波的加速度時(shí)程曲線,峰值為0.1g,地震歷時(shí)20s,計(jì)算間隔0.01s。選取堤頂中心點(diǎn)、地面中心點(diǎn)、兩側(cè)坡腳點(diǎn)、靠近地下水位的點(diǎn)及地面中心點(diǎn)正下方的點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)N1~N8位置見(jiàn)圖1。圖6為監(jiān)測(cè)點(diǎn)液化度和位移監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線。由圖6可看出:(1)堤基砂土液化度隨著時(shí)間呈現(xiàn)不同程度的上下波動(dòng),粉砂層最大液化度達(dá)0.9,說(shuō)明粉砂層比上部土體更有可能發(fā)生液化,堤體處于較不安全狀態(tài),應(yīng)采取適當(dāng)?shù)目挂夯胧┫驕p小地基液化對(duì)堤體穩(wěn)定性的不利影響。另外,兩側(cè)坡腳處的液化度不大,發(fā)生液化的可能性較小。(2)堤身總體上呈現(xiàn)下沉趨勢(shì),堤頂最大位移達(dá)17cm,有效高度下降較多;地面以下16m處位移很小,僅3cm。坡腳處位移僅2cm,表現(xiàn)為向兩側(cè)擴(kuò)張。3管袋堤安全數(shù)值