高水位下管袋堤体稳定性分析

高水位下管袋堤体稳定性分析

条子泥质压缩技术的海堤是以填充夹卵石边坡防护结构的形式，由堤和国内外护坡保护。内外斜坡之间的裸体砂岩被移除，然后使用填充填充的砂和内、外、排水沟为坡脚防护，设计水库高度。原滩面高程为2.0m,堤身高7.0m,堤顶宽8.0m,临海侧上下级坡比均为1∶2.5,在高程6.0m处设有宽5.0m的平台;背海侧坡比为1∶3,在高程5.5m处设有宽3.0m的平台。充填砂袋土工布采用150g/m2编织布,每层砂袋高0.5m。临海侧水位采用50年一遇高潮位7.1m,背海侧为常水位1.8m。堤身堤线的地基表层土主要由四层土构成,由上到下分别为:层(1)堤身土。高程2.0~9.0m;层(2)粉质砂壤土。高程2.0~-1.0m,分布于场地表层;层(3)轻粉质砂壤土夹粉砂。高程-1.0~-4.0m。层(4)粉砂。高程-4.0~-22.0m,分布于整个场地的下部。为此,本文利用大型岩土FLAC3D软件模拟条子泥Ⅰ期压围工程管袋堤体典型断面,通过分析其在某高水位下的应力应变状态、渗透稳定性、边坡稳定性及地震荷载下坝体的液化情况来研究坝体的整体安全性。1模型边界及模型单元为充分模拟结构物和地基土体的分层情况,构建了围堤结构数值分析模型,计算模型及动力监测点见图1。水平方向为x向(向右为正),以两侧坡脚为基准向外取50.0m作为计算边界。竖直向为z方向,原滩面向下取24.0m作为计算边界,每层管袋的充填高度为0.5m,堤体由14层充填管袋堆积而成。y向平行于堤轴线,取单位长度。模型底部固定约束,x、y向两侧边界设法向约束,模型顶部为自由边界。模型共有1402个单元体,3064个节点,土体单元采用摩尔库伦模型,充砂管袋则用土工格栅单元模拟。默认情况下,土工格栅构件采用CST壳有限单元,即能抵抗薄膜荷载而不能抵抗弯曲荷载,一般用于模拟与土相互剪切作用的柔性薄膜。土体单元参数见表1,格栅单元参数见表2。2计算与分析2.1土体材料应力图2为堤体在外荷载作用下的应力应变计算云图。由图2可看出:(1)堤体主要受压应力作用,最大应力出现于计算模型临水面底部,最大拉应力为0.3kPa,小于土体材料的抗拉强度(20kPa),未出现拉应力区,不会出现强度破坏;(2)堤体主要发生竖向位移,结构整体表现为下沉状态,堤顶最大竖向位移14.9cm,水平向位移较小(2.6cm),发生在堤体内侧坡脚处。2.2渗流对基和堤身的影响堤体的渗流是由于堤体临水侧与背水侧的水头差产生的,随着洪水位的升高,堤基和堤身的渗透坡降不断增大,当渗流产生的渗透坡降大于土体材料的允许渗透坡降时,土体发生渗透破坏。表3为堤体各土层的最大计算渗透坡降值。由表3可看出,各土层的最大计算渗透坡降值均小于允许坡降值,堤体满足渗流稳定要求。2.3堤体边坡稳定性判断堤体边坡失稳破坏是指堤体局部滑坡或整体滑坡从而引发溃决,在高水位下大多表现为背水侧的背水坡滑坡。本文通过强度折减法求得堤体边坡稳定安全系数来判断堤体边坡的安全性。经计算,堤体典型断面在高水位下的边坡稳定安全系数为1.71,大于临界安全系数1.30,表明在此工况下,堤体边坡处于安全状态。图3为堤体典型断面结构在高水位下的切应变增量云图。由边坡稳定计算结果分析可得高水位下当堤体结构出现滑动破坏时,滑出点位于下游边坡角点附近,滑裂面呈圆弧状。2.4管袋内土体所受应力所受图4为土工织物单元的最大主应力云图。由图4可看出,土工管袋所受应力比管袋内土体所受应力大一个数量级,表明管袋对土体起束缚作用,管袋内土体所受的应力一部分转移到了管袋上。管袋所受最大拉应力为103kPa(即0.515kN/m),远小于管袋的抗拉强度4.74kN/m,表明管袋是安全的,不会被拉坏。2.5管袋间滑动面的计算根据极限平衡原理,并引入滑动安全因子判断管袋层间的稳定性,当考虑管袋在水压力、浪压力作用下的受力情况时,滑动安全因子为:式中,μ为上下层管袋间的摩擦系数,取0.28;W′为抗滑力,浸润线以下采用饱和密度,浸润线以上采用自然密度;P为滑动力,包括水压力和浪压力。FS计算结果见表4(表中“1/2”表示第一层管袋与第二层管袋之间的滑动面,依次类推;“14/原滩面”表示最底层管袋与原滩面之间的滑动面)。由表4可看出,各层间的FS>1.0,管袋之间不会发生滑动失稳,且FS由上到下逐渐增大,表明上层管袋比下层管袋易发生滑动失稳。2.6监测点高度及变形对堤身结构,地震作用的不利影响主要表现为堤基砂土液化和堤身大变形失稳。在对堤基砂土液化进行分析时,引入地震液化度的概念,用有效应力法分析土体动力稳定性。液化度为:式中,Δμ为超孔隙水压力;σ′v、σ′v0分别为当前和初始平均有效应力。图5为输入的唐山地震波的加速度时程曲线,峰值为0.1g,地震历时20s,计算间隔0.01s。选取堤顶中心点、地面中心点、两侧坡脚点、靠近地下水位的点及地面中心点正下方的点作为监测点,监测点N1~N8位置见图1。图6为监测点液化度和位移监测时程曲线。由图6可看出:(1)堤基砂土液化度随着时间呈现不同程度的上下波动,粉砂层最大液化度达0.9,说明粉砂层比上部土体更有可能发生液化,堤体处于较不安全状态,应采取适当的抗液化措施消除或减小地基液化对堤体稳定性的不利影响。另外,两侧坡脚处的液化度不大,发生液化的可能性较小。(2)堤身总体上呈现下沉趋势,堤顶最大位移达17cm,有效高度下降较多;地面以下16m处位移很小,仅3cm。坡脚处位移仅2cm,表现为向两侧扩张。3管袋堤安全数值