软土地基岸滩抛石围堰变形规律研究_徐远杰.pdf

第 卷第期 年 月浙江水利水电学院学报 ：软土地基岸滩抛石围堰变形规律研究徐远杰，王鹏，詹敏杰，史燕南，何泽兴，（中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 ；浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 ；浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 ）摘要：在深厚软土地基条件下，抛石围堰容易产生沉降和整体滑移等变形。温州市某框架海堤工程施工中，采用 有限元软件，对不同断面型式、不同施工次序下的岸滩抛石围堰进行数值分析。该实例分析总结了施工对抛石围堰产生的影响规律，结果表明：台阶式抛石围堰沉降相对较小，建议施工中先实施外海侧部分，可有效减小围堰整体的沉降，提高施工成效，节省成本。关键词：软土地基；抛石围堰；沉降中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；收稿日期：基金项 目：中 国 水 利 水 电 第 七 工 程 局 有 限 公 司 科 技 项 目（）；浙江省水利科技计划项目（）作者简介：徐远杰（），男，四川洪雅人，工程师，研究方向为工程技术和质量管理，：。通信作者：史燕南（），女，浙江杭州人，高级工程师，研究方向为淤泥处理处置，：。堤防建设、桥梁 改造等 涉水 工 程，施 工 前 期均需要创造良好的隔水环境，一般采用围堰技术将水、土石等与作业环境隔离，为 主 体 工 程 施 工创造无水环境。围堰的形式多种多样，有抛石围堰、砂袋围堰、混凝土围堰、钢板定桩围堰和浆砌块石围堰等，实践中要结合工程特点选择不同形式的围堰。由于围堰的结构形式较为灵活，对施工质量、效率要求较高，围堰对工程进度、质量等影响也较大。目前，浙江沿海软土地基上围堰一般采用挤淤法施工。为了增加堤身密实性，保证围堰的稳定，减少沉降，根据地质勘察资料，当淤泥层厚度小于 时，可采用直接抛石挤淤法；超过时，一般采用水下强夯挤淤法或爆破挤淤法，利用外力作用确保块石置换至指定位置。由于浙江沿海一带对生态环保要求高，且软土地基深厚、淤泥颗粒极细，综合考虑环保、经济等因素，通常采用直接抛石挤淤法，使原先软土地基形成较为稳定的土石围堰。浙东沿海土质软弱、分布广泛、地基深厚、强度低、施工沉降大、变形期长，导致沉损、滑移等变形较大。现行 海岸软土地基堤坝工程技术规范 中软土地基的沉降经验系数取值具有局限性，无法完全适用于浙东 沿 海深厚 淤 泥 层 存在 的 情况。很多学者对围堰变形进行数值分析，如赵彦准等用 计算了设计挡水流量下围堰中间合拢和围堰挡水典型工况的水利特性，提出了较为合适的合拢位置；张益多等采用有限元软件对钢围堰进行数值模拟，探讨不同施工阶段的受力情况。笔者利用 有限元分析软件，研究软土地基条件下岸滩抛石围堰不同断面形式、不同施工阶段的变形和整体稳定系数变化情 况，评 价 围 堰 结 构 的 沉 损 情 况 和 整 体 安全性。工程背景温州永嘉三 江 标 准 海 堤 框 架 结 构 建 于 淤 泥土上，笔者以岸滩外海测临时围堰为具体的工程实例进行分析。表层为新沉积层流泥层，下面为淤泥层，沉积厚度不均，离岸 较 近 及低 洼 处 沉 积较厚，淤泥 层 厚 度 有 。由 于 新 沉 积 层（流泥层）表现为流塑状，高含水量、高压缩性，工程地质条件差，抗剪强度和承载 力低，新 沉 积 层是堤基沉降和稳定的控制层。因此，本工程建议进行地基处理，采用吹填砂挤淤换填至淤泥层。抛石围堰计算模型 模型构建目前，该工程框架堤外海侧围堰采用了梯形围堰；堰顶高程为，宽度为，二级台阶形围堰，梯形围堰外海侧增加一级镇压平台，平台高程为，宽为。图为两种型式抛石围堰的简化三维模型。模型沿围堰轴向长度为，横向长度 ，土层深度，土层层数和土体参数取值同前节。涂面高程取，抛石围堰外海侧为现状迎水岸坡，坡度，坡底高程。图框架堤外海侧围堰三维计算模型 模型材料参数模型中的抛石层及圆砾层假定为线弹性体，服从广义胡克定律；其他土层和回填土材料为弹塑性体，采用摩尔 库伦土体本构模型。根据土石围堰结构标准断面形式，本次有限元计算选取模型材料参数参考浙江省水利科技项目课题（）和工程实例地勘报告土体物理学指标附表，主要选用材料参数见表。表材料参数表名称模型容重（）饱和容重（）黏聚力 内摩擦角（）弹性模量 泊松比淤泥 淤泥 粉砂 淤泥 黏土 粉质黏土 回填闭气土方 卵石 抛石镇压 施工阶段设定模型施工阶段分为原始地面（初始阶段，位移清零），第一层抛石厚，后层抛石分层域实施（按 分层）填筑，上部施工荷载施加，总共浙江水利水电学院学报第 卷个施工阶段。成果分析 围堰断面形式对沉降的影响规律 梯形抛石围堰的沉降规律图为梯形抛石 围 堰 在 各 个 施 工 阶 段 的 竖向位移（沉降）云 图。当 抛 石 围 堰 填 筑 时，抛 石直接作用在软土地基上，挤淤效果显著，下部软土层出 现 了 明 显 的 塑 形 变 形，抛 石 体 整 体“下沉”后，达到极限平衡状态。当抛石 围 堰 整体 沉降比例为 时，根据 抛 石 围 堰 沉 降 值和沉降比例 的 变 化 趋 势，可 得 出 随 着 抛 石 填 筑厚度的增加，沉降变化量降低，沉降值大致呈线性增加的结论。图梯形抛石围堰竖向位移云图 台阶形抛石围堰的沉降规律根据台阶形抛石围堰模拟计算成果，沉降规律与上述梯形抛石围堰基本一致，随着抛石厚度的增加，沉降量增大，而沉降比例有所降低。如图和表所示，当抛填厚度为 时（即堰体与镇压平台同时抛筑阶段），其整体沉降比例超过 。但抛石镇压平台增加了抛石挤淤体宽度，抛填镇压平台超过 时，其沉降比例明显减小，抛填厚度为 时，沉降比例下降至 。在抛填厚度为 时，施加施工荷载，沉降比例约 ，沉损系数为 。图台阶形抛石围堰竖向位移云图表台阶形抛石围堰沉降及沉降比例变化情况表抛石厚 沉降 沉降比例 沉损系数 两种型式围堰比较分析梯形抛石围堰和台阶形抛石围堰的沉降曲线及其矢量变形云图如图和图所示。结果显示，台阶形抛石围堰的堰体宽度大，围堰挤土范围大，外侧二级抛石层镇压效果显著，围堰整体沉降相较于梯形围堰降低约；考虑外海侧二级抛石层的第期徐远杰，等：软土地基岸滩抛石围堰变形规律研究镇压效果，当填筑抛石层厚度超过，达到相同高程的台阶形的抛石量将少于梯形抛石围堰，此时采用台阶形围堰不仅可以减少抛石量，还可有效降低围堰沉降滑移风险（表）。图两种型式抛石围堰整体变形矢量图图两种型式抛石围堰整体变形矢量图表两种型式抛石围堰单位长度体积变化情况表单位：抛石厚 梯形 台阶形 台阶形抛石围堰沉损与施工次序的关系为进一步讨论抛石围堰沉损与施工次序的关系，对台阶形抛石围堰施工次序进行细化拆解，按围堰主体部分和镇压部分逐层分布实施方法，分成种施工次序施工（表）。拆分围堰几何模型，逐层划分网格，按具体施工次序定义对应的施工阶段，建立分析步骤，模拟计算种施工次序的各施工步骤工况下，围堰抛石体的沉降。具体计算结果云图如图图所示。表台阶形抛石围堰施工步骤施工次序 逐层先主体后镇压主体 镇压层 主体 镇压层 主体 主体 施工荷载逐层先镇压后主体镇压层 主体 镇压层 主体 主体 主体 施工荷载先完成镇压后主体镇压层 镇压层 主体 主体 主体 主体 施工荷载图台阶形：逐层先主体后镇压竖向位移云图浙江水利水电学院学报第 卷图台阶形：逐层先镇压后主体竖向位移云图图台阶形：先完成镇压后主体竖向位移云图根据计算结果，先完成镇压层后主体施工和逐层先镇压后主体两种施工次序相对逐层先主体后镇压，可明显降低围堰的沉降，以填筑 厚抛石围堰为例，可相对减少沉降 和（图）。在实际施工中，先进行镇压层施工，对主体围堰外海侧下方软土地基进行挤淤处理，提高地基整体性，使应力分布更均匀。围堰主体抛石填筑时，充分利用更大范围下卧层的承载能力，减少下方土体外溢到外海侧，减小沉降，节省抛石量。图各施工次序下围堰沉降曲线结论建立两种断面形式的岸滩抛石围堰计算模型，模拟计算在各施工阶段围堰变形的发展过程，分析其变形特性及影响规律。通过理论和对比分析，得出以下结论：）台阶形抛石围堰整体沉降相较于梯形围堰降低约，节省了围堰抛石量。）当填筑抛石层厚度小于 时，梯形围堰抛石体积小于台阶形围堰；超过 时，采用台阶形围堰更为经济。）抛石围堰填筑施工，先实施外海侧部分，可有效减小围堰整体的沉降，提高施工效率，节省成本。参考文献：王向荣，胡怀明，楚雷刚水利设计中围堰技术的应用分析 珠江水运，（）：刘佳东水利工程施工中围堰技术的应用科技创新与应用，（）：（下转第 页）第期徐远杰，等：软土地基岸滩抛石围堰变形规律研究图为三种护坡形式下的边坡安全系数。从图中可以看出，护坡形式对边坡稳定性有一定程度的影响，传统混凝土护坡形式下的边坡安全系数最小，复合树脂板护坡的边坡安全系数居中，绳网式护坡形式下的边坡安全系数最大。图不同护坡形式下的边坡安全系数结论笔者在富阳区新登镇鼍江彩虹堰下游左岸应用了两种新型生态护坡，并将传统护坡作为对比。采用有限元强度参数折减法，分析传统混凝土护坡、绳网式护坡以及复合树脂板护坡形式下的边坡稳定性，得到结论如下：）绳网式、复合树脂板两种生态护坡结构表面变形比传统混凝土护坡下的护坡结构表面变形要小，复合树脂板与绳网式护坡形式下的护坡结构底面剪应力比传统混凝土护坡下的护坡结构底面剪应力要小，有利于边坡局部稳定。）护坡形式对边坡稳定性有一定程度的影响，传统混凝土护坡形式下的边坡安全系数最小，复合树脂板护坡的边坡安全系数居中，绳网式护坡形式下的边坡安全系数最大。）开发的两种新型生态护坡，在保持边坡稳定方面对比传统护坡具有一定优势，具备良好的推广价值。参考文献：，（）：，（）：付融冰，陈小华，罗启仕，等固化技术在农村河道生态护岸中的应用 应用生态学报，（）：金德钢，顾唯星 软性 铝锌合金网箱在宁波市河道生态护岸中的应用中国水土保持，（）：韦余广基于船行波冲刷影响的改进型生态护岸研究浙江水利水电学院学报，（）：唐定丹，董光辉，付旭辉，等 水库消落带复合锚垫生态修复技术及其应用浙江水利水电学院学报，（）：（上接第 页）张嵩云，毛卉洪水过程的菲律宾 电站围堤渗流及边坡稳定分析水运工程，（）：胡晓明，翁浩轩，詹敏杰背水坡地基处理对桩基框架结构堤防的影响人民长江，（）：董志良，刘嘉，朱幸科，等大面积围海造陆围堰工程关键技术研究及应用 水运工程，（）：贺新星，王瑞骏，闫菲 厚层淤泥质地基高土石围堰边坡抗滑稳定敏感 性 分 析 水 资 源 与 水 工 程 学 报，（）：赵彦准，江维，农好瑾，等邕宁水利枢纽一期临时土石围堰数值模拟研究水利与建筑工程学报，（）：张益多，周亚运，张国云，等大型桥梁承台双壁钢围堰施工三维有限元分析 江苏科技大学学报（自然科学版），（）：浙江水利水电学院学报第 卷