考虑堤基堤身相互作用的软土堤防数值模拟
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软土地基施工技术在河道堤防工程中的应用1. 引言1.1 研究背景软土地基施工技术在河道堤防工程中的应用引言随着科技的不断发展和工程施工技术的不断进步,软土地基施工技术在河道堤防工程中的应用也逐渐得到了重视。
通过对软土地基的特点和处理技术进行深入研究,可以有效地提高河道堤防工程的施工质量和工程安全性,减少工程施工过程中的风险和隐患,保障河道堤防工程的长期稳定和可靠性。
深入探讨软土地基施工技术在河道堤防工程中的应用具有重要的理论和实际意义。
1.2 研究目的软土地基施工技术在河道堤防工程中的应用旨在探讨在软土地基条件下,如何有效地进行堤防工程施工,以提高工程质量和安全性。
具体研究目的包括:研究软土地基的特点及对工程施工的影响,探讨软土地基处理技术的原理和应用,分析软土地基施工技术在河道堤防工程中的具体应用案例,总结软土地基施工技术的优势和挑战,评估其在河道堤防工程中的适用性,并探讨软土地基施工技术在未来的应用前景。
通过以上研究目的,旨在为软土地基河道堤防工程的设计和施工提供理论支持和技术指导,促进工程效率和可持续发展。
1.3 意义软土地基施工技术在河道堤防工程中的应用具有重要的意义。
软土地基施工技术可以有效改善软土地基工程特点,提高河道堤防工程的工程质量和稳定性。
软土地基处理技术的应用可以减少施工过程中的风险和不确定性,降低工程成本,提高工程效率。
软土地基施工技术还可以有效缓解软土地基施工所面临的技术难题和挑战,为河道堤防工程的顺利施工提供技术支持。
软土地基施工技术在河道堤防工程中的应用可以提升工程质量、减少成本、加快工程进度,具有非常重要的实际意义和社会经济效益。
深入研究软土地基施工技术在河道堤防工程中的应用是非常有必要的。
2. 正文2.1 软土地基工程特点软土地基工程是指在软弱土层或高含水量土层上进行建筑或工程施工时所遇到的工程地质问题。
软土地基工程具有以下几个特点:1. 地基土层强度低:软土地基的土层孔隙度大,含水量高,土粒颗粒间沟壑较多,因此其密实度低,强度差,容易发生沉降、变形等问题。
—、水利工程软土地基的特性在曰常生活中,我们见得最多的,工程质地性最差的地基就是淤泥和淤泥质土,在正常情况下,天然空隙大于或者等于15的亚粘土、粘土就是我们所说的淤泥,其淤泥质粘就是空隙比大于"或者小于仁5的粘土°根据实际经验得出 ,这种淤泥粘土一股具有以下几种性质:空隙比和天然含水量大。
在我国软土的天然空隙比一般都在-2之间,而且其淤泥和淤泥质土含水呈较高,甚至有些时候大于液限。
根据专家认定,其基本含水呈一股都在50%-70%之间。
2、压缩性高。
这种土质的可压缩性较强,所以在实际施工的过程中,如果直接在这样的土层上面进行修建,便很容易出现沉降的现象。
经过专家们认定,在这种土质上面修建的建筑在发生沉降的时候,因为其沉降速度不均匀,便很容易造成建筑倒塌和倾斜。
3、透水性较弱。
在实际的生活中,软土本身的质地非常细膩,因此它融水的能力较大,但是透水性却并不是很强 .不容易排除二所以这种土壤如果接到来自上方的压力,便容易产生物理现象,从而难以形成较为稳定的地基。
4、抗剪强度低。
软土一股处于软塑一流的形态,索引,当出现外部环境作用力时,抗剪性大大减少。
按照实际情况分析,我国软土抗剪轻度一股都低于30^2o在实际的工作中,软土层的固结度和水之间具有非常密切的关系。
如果排水不畅通的话 ,当上方出现很大压力的时候,便会造成软土层固结度增加,但是相反,如果软土层排水不畅通的话,如果受到的重力越大,固结度反而会降低。
所以,如果遇到排水不畅通的土质时,便需要选择质量较轻的质量进行修建。
5、灵敏度较高。
对于一些软粘土所形成的土质,如果其结构完整的时候,性能较为稳定,便能够承受一些减力。
但是,一旦这种结构適到破坏过后,便容易减小承受力。
当图层被破坏之后很容易出现强度下降的现象被称为灵敏度。
当水分条件不变的情况下,根据实际情况判断,原来图层和后来图层的抗压能力较高,其分数值主要在―之间。
在实际生活中,我们会根据这个数值采取相应的措施,比如说:当数值较高的时候,便减少对土壤的侵扰程度。
堤防管涌数值模拟手段研究现状综述我国长期遭受洪水灾害,而江河大堤在汛期经常发生的险情便是管涌,其实质是渗透水流带走土体骨架中的细颗粒形成渗漏通道并逐步扩大使得土体应力改变,堤防土体结构发生变化,最终导致堤坝崩塌。
因此,为提出管涌险情预防、预警、治理方案,针对管涌发生发展过程的研究具有十分重要的意义。
1.研究现状目前针对管涌的研究主要从物理模型和数值模拟等方面开展。
室内开展物理模型试验能够针对单一变量开展研究,由于其实验现象易于观察,已有学者开展了大量研究。
然而,室内试验所得出的研究结果多处于宏观层面,无法获悉管涌过程中土体内部渗漏通道发生发展情况。
为了进一步揭示管涌细观机理,数值模拟手段以其具有细观结构分析的功能逐渐受到学者们的重视。
本文将从有限元和离散元分析方法两个角度对管涌数值模拟手段研究现状进行归纳和评价。
1.1有限元方法饱和土体是多孔介质,具有固液二相,如何将饱和土简化成为连续介质是个重要的基本问题。
朱伟等人[1]以日本阿武隈川堤防渗漏治理为例,利用有限元渗流解析方法对渗漏破坏单一影响因素进行模拟分析并对治理效果进行讨论;吴梦喜等人[2]利用有限元对管道溯源流土型管涌进行模拟,分析渗漏通道细颗粒浓度影响水流阻力的程度,获得了渗漏通道动态发展过程并利用砂箱模型对数值模拟结果进行了验证;胡亚元等人[3, 4]提出管涌稳定孔隙率的概念并对传统的管涌渗流控制方程进行修正,利用有限元软件模拟了轴对称土体的管涌过程,认为修整方程更具有可靠性,并利用修正后的SPV管涌控制方程对具有自由面的均质土石坝坝体进行二维有限元模拟,认为该情况下溢出面和自由面更容易发生管涌;贾恺等人[5]针对判定渗流通道是否上溯问题利用有限元进行模拟并通过模型试验对模拟结果进行了验证;王霜等人[6]针对多层堤基管涌问题采用有限元方法分析了管涌动态发展过程中内部渗流场变化情况。
(如图1)1.2离散元方法管涌破坏的实质是细颗粒跟随渗透水流通过土体渗漏通道流出造成堤防结构变化发生破坏,而有限元法基于宏观土体材料的本构关系,无法实现细观层面的流固耦合[7]。
探讨水利堤防工程软土地基处理施工技术发布时间:2022-06-23T08:48:39.679Z 来源:《建筑实践》2022年第2月4期(下)作者:马祖祺[导读] 水利工程作为我国基础建设中的一项重要建设项目,马祖祺身份证号码:42900419890728****摘要:水利工程作为我国基础建设中的一项重要建设项目,软土地基已成为水利工程施工的重要病害问题,其施工处理技术水平的高低直接关系着水利工程的整体质量。
为此,本文主要对水利堤防工程软土地基的特性、施工技术应用进行了分析与探究。
关键词:水利堤防;软土地基;技术;特性1 水利工程软土地基的特性软土地基是指压缩层主要由淤泥、淤泥质土或其他高压缩性土构成的地基。
这种地基具有较低的承载力,通常都在50KN每平方米以下。
作为水利工程施工中主要的病害问题,软土地基施工技术水平是否符合施工要求将直接影响到水利工程的质量。
在水利工程施工中,一般将软土地基根据孔隙大小进行分类,如淤泥主要是亚粘土、粘土孔隙比在1.5以上的土质,当粘土孔隙比在1.0到1.5之间时,通常归为淤泥质粘土。
在水利工程施工中,为有效解决软土地基中存在的问题,必须对其存在的特性进行分析,只有这样才能提高水利工程的质量。
1、孔隙比和天然含水量大。
通常情况下我国软土天然孔隙比都在1到2之间,在含水量方面主要为50%到70%,通常都比液限大,最高已达到200%。
2、高压缩性。
通常情况下我国软土地基压缩系都在0.5Mpa-1以上,在这种软土进行水利工程的建设,将会出现极大的沉降问题,特别是不均匀沉降,这将会导致水利工程出现裂缝或损坏等情况。
3、透水性差。
水利工程软土地质具有较大的含水量,但其透水性很差。
这种情况下在荷载作用下,土体孔隙水压力将不断提升,进而对地基的压实度及固结程度造成极大的影响。
2 水利堤防工程软土地基处理的施工技术应用2.1 换填处理法某市北堤防护工程白沙防洪堤(白沙排水闸穿堤涵处)的软土加固。
HEC-RAS软件在珠江三角洲河道溃堤洪水模拟中的应用方泽建【摘要】The River Delta one-dimensional unsteady flow model is constructed by using HEC-RAS software , and the model with Lateral Structure Breach is used to simulate Luogewei levee break process in Foshan City , around Huyong parking lot.The model simulation can get the discharge process of breach ,the water level of the river and the water level with different breach width and the repair time.The results show that the breach width is an important factor to influence the design waterlevel.When the breach width reaches a certain value ,the design water level will tend to be stable.The levee break model based on HEC-RAS can simulate the levee break process combining with the local emergency flood fighting ,and it can provide a reliable technical sup-port for the design of parking lot located in the Zhu River Delta dike.%运用HEC-RAS软件构建珠江三角洲一维河网非稳定流水动力模型,利用该模型与侧向水工结构溃坝模块(Lateral Structure Breach),进行湖涌停车场所在佛山市罗格围的溃堤模拟计算。
水利堤防工程软土地基处理环节的优化设计摘要:随着国家经济技术水平的提高,大型施工机具逐渐进入市场,大大提高了施工工艺和施工效率。
在此之前,堤坝建设多依靠手工施工,由于机具简单、施工工艺单一,很难保证施工质量。
但是,大量的江河堤坝工程的地质结构多由沉积物组成,其中大都是软土层。
基于此,在堤坝建设中,为提高堤坝整体的防洪能力,采用适宜的软土地基处理技术是最关键的环节。
关键词:水利堤防工程;软土地基;处理;优化对策1水利工程堤坝软基的特性在修建江河湖泊堤坝之前,必须要对其进行适当的处理,这样才能保证堤坝工程上部结构的整体稳定性。
若不能满足相关规范要求,则可能造成堤坝开裂和滑坡等严重后果。
堤坝上常见的软土地基有淤泥质粘土、淤泥、淤泥碳质粘土以及泥碳质粘土,通常都有较高的自然含水率、孔隙比和有机质含量,同时具有较高的压缩性、较低的抗剪强度和较差的渗透性。
2堤坝工程软基失稳失效机制研究水利工程中,江河湖泊堤防的断面多为梯形,若发生滑移或不均匀沉降,不仅会造成堤防开裂、滑坡、崩塌,还会造成堤防附属建筑物(水闸、涵洞、泵站等)发生倾斜、下沉等现象,严重威胁行洪安全,对堤防保护区内的民众造成灾难性损失。
路堤填筑过程中,因为基础地质情况的差异,自身压缩性高,抗剪强度低,导致路堤工程上部结构在荷载的作用下发生变形和破坏。
此外,由于江河堤防水位一年四季都在发生着变化,河湖水位时高时低,水流速度时慢时快,河道堤防所受到的冲击压力也在发生着改变;地震、降雨和堤防高水位时堤防的管涌、渗漏等也是造成基础不稳定的重要因素。
3水利堤防软土地基处理常用方法适用条件及优化对策3.1换填法施工目前,我国江河、湖泊堤坝等工程建设中,软基处理多采用换填法。
在工程实践中,对软土进行开挖,将其置换为高强度、低压缩性的矿渣、灰土、粗石砾等,以增强其整体承载能力。
本方法适合于2 m以下各类软土地基的加固,但其不足之处在于,置换后的土料不能重复使用,且需要占用大量的贮存场地,不适合大体积软基。
㊀收稿日期:2019-06-09㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(51578212)㊀作者简介:周鹏(1988 ),男,山东嘉祥人,工程师,主要从事水工设计与计算等方面的工作㊀通信作者:王霜(1987 ),女,湖北钟祥人,博士研究生,讲师,主要从事渗流分析与计算等方面的工作㊀E⁃mail:wshwy.871112@163.comʌ防洪治河ɔ不同结构堤基渗流的数值模拟和管涌临界条件周㊀鹏1,王㊀霜2,3,王㊀恺4(1.中冶华天南京工程技术有限公司,江苏南京210019;2.南京铁道职业技术学院,江苏南京210031;3.河海大学水利水电学院,江苏南京210098;4.黄河水利委员会山东黄河河务局,山东济南250011)摘㊀要:利用有限元分析软件模拟双层堤基㊁三层堤基以及多层堤基内部的水力梯度分布,将堤基内部各区域的水力梯度与相应的允许水力梯度进行比较,最终确定堤基管涌发生的临界上游水头㊂三层堤基和多层堤基中,堤基内部存在细砂夹层,随着细砂夹层埋深的增加,管涌发生的临界上游水头逐渐增大,通道深度不断增加,管涌破坏发生的标志是细砂夹层被冲破,发生竖向流土破坏;当细砂夹层埋深达到一定深度时,细砂上部砂砾石层的渗水量增加,增加到足以将砂砾石表面的颗粒带出,管涌破坏过程与双层堤基类似,通道主要形成在黏土下部的砂砾石表面,临界水头有所减小㊂将该数值模拟结果与前人管涌试验结果进行比较,两者吻合度较好㊂关键词:堤基结构;管涌;数值模拟;临界水头中图分类号:TV223.4㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2021.03.011㊀引用格式:周鹏,王霜,王恺.不同结构堤基渗流的数值模拟和管涌临界条件[J].人民黄河,2021,43(3):57-62.NumericalStudyonCriticalConditionofPipinginDifferentTypesofDikeFoundationsZHOUPeng1,WANGShuang2,3,WANGKai4(1.HuatianNanjingEngineering&TechnologyCorporation,MCC,Nanjing210019,China;2.NanjingInstituteofRailwayTechnology,Nanjing210031,China;3.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;4.YellowRiverShandongBureau,YRCC,Jinan250011,China)Abstract:Afiniteelementsoftwarewasusedtosimulatethedistributionofhydraulicgradientintwo⁃stratum,three⁃stratumandmulti⁃stratumfoundations.Thehydraulicgradientindifferentareaswascomparedtothecriticalhydraulicgradientofsoilerosioninthecorrespondingareaandthenthecriticalhydraulicheadofpipinginthedikefoundationwasdetermined.Inthree⁃stratumandmulti⁃stratumfoundations,thecriti⁃calhydraulicheadgraduallyincreasedwiththeburialdepthofthefinesandlayerandthedepthofthepipingpassagewasgraduallyin⁃creased.Pipinghappenedwhenthesandlayerbrokethroughwiththeverticalsoilflow.Whentheburialdepthofthefinesandlayercametoacertainvalue,thepipingpassageformedonthesurfaceofthesandygravellayerbelowtheclaylayer,whichwassimilarwiththatintwo⁃stra⁃tumfoundation.Thecriticalhydraulicheaddecreased.Comparisonsbetweenthesimulationresultsandtheexperimentalvaluewereconductedandtheresultsshowedthatthegoodnessoffitwashigh.Keywords:structureofdikefoundation;piping;numericalmodeling;criticalhydraulichead㊀㊀历史上的河流冲刷㊁淤积和改道,以及沉积条件的千变万化,导致不同时期㊁不同河段所形成的堤基结构有很大差异㊂堤基大多由黏土㊁粉质黏土㊁壤土㊁淤泥质土㊁砂壤土㊁粉细砂和砂砾石等组成,有多种组合类型,大体上可以概括为单层堤基㊁双层堤基㊁三层堤基和多层堤基4种类型[1-3]㊂对于不同结构的堤基,渗流场也是不同的,应该对具体条件下的渗流场进行分析㊂随着计算机技术的迅速发展,数值模拟已经渐渐成为管涌研究的一个重要手段和方法㊂殷建华[4]在国内首次采用有限元方法来研究管涌问题,计算了管涌发生区域的长度和渗透系数对堤身渗流的影响㊂张家发等[5]针对长江中下游堤防工程现状概化出典型条件,采用有限元数值模拟方法对堤身堤基渗流场进行了模拟计算,分析了作用水头㊁堤身渗透性㊁弱透水覆盖层厚度㊁强透水层厚度㊁外滩宽度和河泓切割程度等因素对渗流规律的影响㊂周晓杰等[6-7]将计算区域分为管流域与渗流域两部分,对两域分别采用管流理论与达西定律求解,通过对两域共同边界进行耦合计算,从而获得整个流场的信息㊂本文针对上述不同结构堤基,采用有限元数值模拟方法对不同作用水头下堤基渗流场进行分析,通过比较堤基内部各区域的水力梯度与对应的允许水力梯度的大小,判断堤基渗透稳定状态,最终确定管涌发生时的临界上游水头㊂㊃75㊃第43卷第3期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀人㊀民㊀黄㊀河㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Vol.43,No.3㊀㊀2021年3月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀YELLOW㊀RIVER㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Mar.,2021㊀㊀1㊀堤基内各区域临界水力梯度计算通过有限元数值模拟得到不同上游水头下堤基内部的水力梯度分布情况,将堤基内部各区域的水力梯度与允许水力梯度进行比较,从而确定在该上游水头下堤基内部是否有颗粒侵蚀㊂若无侵蚀,继续逐级增大上游水头,最终得到堤基内部土体发生侵蚀时的上游水头,也就是管涌发生的临界上游水头,同时可以得到堤基内部颗粒侵蚀的位置与区域㊂砂砾石层以及细砂夹层的颗粒级配曲线见图1㊁物理参数见表1,上覆黏土的渗透系数为5ˑ10-6m/s㊂图1㊀堤基颗粒级配曲线表1㊀堤基各层砂样物理参数砂样d60/mmd30/mm干密度/(g㊃cm-3)密度/(g㊃cm-3)孔隙率渗透系数/(m㊃s-1)砂砾石层细砂层4.100.180.850.141.801.392.652.680.320.488.7ˑ10-43.7ˑ10-5㊀㊀多层堤基中,存在渗透系数较小的细砂夹层,将堤基的砂砾石层分成夹层上部与夹层下部两部分㊂堤基发生渗透破坏存在两种形式:夹层上部,在黏土层与砂砾石层界面发生侵蚀破坏;夹层下部,细砂夹层被冲破,发生竖向流土破坏,然后侵蚀逐渐向上游发展㊂不同堤基结构发生渗透破坏的形式不同,主要取决于哪种渗透破坏形式的临界水力条件先得到满足,因此首先需要对这两种渗透破坏的临界条件进行确定㊂对于黏土层与砂砾石层界面上发生的水平方向侵蚀破坏,管涌口处的颗粒需首先满足竖向运动的条件,颗粒沿竖向发生侵蚀,在管涌口处形成空洞,才能为水平方向的侵蚀提供足够的空间,侵蚀才能沿水平方向逐渐向上游发展㊂根据康德拉且夫抗渗比降公式[8]计算允许水力梯度Jcr:Jcr=Gs-11+0.43(d0dB)2(1)式中:Gs为土的相对密度,Gs=γsγw,其中γs为土的密度,γw为4ħ时水的密度;d0为孔隙通道的最小直径,mm;dB为流失颗粒的直径,mm㊂孔隙通道的最小直径d0计算公式为[9-10]d0=1β8n3(1-n)Dh(2)式中:n为土体的孔隙率;Dh为土体颗粒的有效粒径,mm;β为土颗粒的形状系数,对于球形颗粒,β取值为6㊂假设土体颗粒具有相同的形状,土体颗粒的有效直径可以由下式计算[11]:Dh=1ðmi=1ΔSiDi(3)式中:ΔSi为土体颗粒中第i粒组的质量百分比;Di为土体颗粒中第i粒组的代表粒径;m为粒组数㊂将土体的颗粒组成参数及孔隙率代入式(2)和式(3),计算得孔隙通道的最小直径d0=0.37mm,取流失颗粒粒径dB=0.13mm,土的相对密度Gs=2.6,代入式(1)得管涌口处颗粒允许水力梯度为0.36㊂对于细砂夹层被冲破而发生的竖向流土破坏,以管涌口下部单位底面积的夹砂层为研究对象,所受力主要有自身的浮重Gᶄ=γᶄs2h2(1-n2),上部砂砾石的压力F=γᶄs1h1(1-n1),渗透力f=γwJh2,根据静力平衡条件可得:γwJh2=γᶄs1h1(1-n1)+γᶄs2h2(1-n2)(4)由式(4)计算得到夹砂层及其上部砂砾石层的允许水力梯度为J=γᶄs1h1γwh2(1-n1)+γᶄs2γw(1-n2)(5)式中:γᶄs1为砂砾石的浮重度;γᶄs2为夹砂层细砂的浮重度;n1为砂砾石的孔隙率;n2为夹砂层细砂的孔隙率;h1为夹砂层的埋深,m;h2为夹砂层的厚度,m㊂将堤基各层土体的物理参数代入式(5)可得,在不同的细砂层埋深下,细砂层及上部土体被冲破时细砂层底部所需的竖向临界水力梯度(见表2)㊂表2㊀土层被冲破的临界水力梯度细砂层埋深/m0125临界水力梯度0.872.003.126.48㊀㊀本文采用逐级提升水头的方式模拟管涌集中渗漏通道的发生㊁发展㊂当堤基管涌口砂砾石内的水力梯度小于0.36或者细砂夹层底部水力梯度小于表2中所对应的值时,两种渗透破坏均不发生,颗粒不发生流失,限于文章篇幅,未在文中分析㊂2㊀不同堤基结构管涌发生的临界上游水头2.1㊀双层堤基管涌发生的临界上游水头首先对典型的双层堤基上覆黏土层出现管涌口后㊃85㊃堤基内部渗流场进行模拟㊂模型以向堤外方向为X轴正方向㊁向上为Y轴正方向建立坐标系,堤基向两边无限延伸㊂模拟的是半无限边界,上游侧水头的边界条件作用于模型左侧,下游侧水头的边界条件作用于模型右侧的黏土层表面㊂不考虑上部堤防渗流对堤基内部渗流场产生的影响,假定堤防为不透水体,同时假定距堤脚26m处为黏土层薄弱处,薄弱区域直径为4m,即在模型中将X轴坐标为84 88m的黏土层定为管涌口,渗透系数设定为0.5m/s㊂图2为管涌口形成后㊁上游水头H=10m时堤基内部的水头等值线图,可以看出,管涌口形成后,压力水头由砂砾石层承担,在X轴向上,随着X值的增大,压力水头呈逐渐下降趋势,在管涌口附近压力水头发生突变,即管涌口附近的水力梯度最大㊂图2㊀管涌口形成后的水头等值线(H=10m)双层堤基的渗透破坏主要发生在黏土层与砂砾石层界面上,故土体的允许水力梯度是由式(1)所确定的0.36㊂将模拟的堤基内部各区域水力梯度分布情况与该值进行比较,可知当H<19m时不会出现颗粒流失,所以初始水头定为19m㊂图3为该水头下管涌口处Y方向水力梯度分布,管涌侵蚀的区域根据水力梯度分布图和允许水力条件共同确定,将水力梯度分布图上水力梯度超过颗粒允许水力梯度的区域,认定为颗粒发生流失的区域㊂由图3可以看出,颗粒发生流失的区域为X=84.0 84.5m㊂因此,在双层堤基中,发生管涌的临界上游水头为19m㊂图3㊀管涌口处Y方向水力梯度分布情况2.2㊀三层堤基管涌发生的临界上游水头三层堤基中,细砂层在砂砾石层表面,也就是细砂层在砂砾石层中的埋深为0m,当H<4m时不会出现颗粒流失,初始水头定为4m㊂该种堤基结构发生的渗透破坏形式主要是细砂层被冲破后,侵蚀逐渐向上游发展㊂图4为上游水头4m时Y方向水力梯度等值线图,图中堤基的各层土体从上到下依次为黏土层㊁细砂层㊁砂砾石层,可以看出Y方向水力梯度最大值发生在管涌口下端的细砂夹层底面㊂同时,由图5可知管涌口下端细砂层底面(即A A截面,见图4)的最大水力梯度达到0.93,超过了表2中计算所得的细砂层埋深为0m时对应的允许水力梯度0.87㊂因此,在三层堤基结构中,发生渗透破坏的临界上游水头为4m㊂图4㊀Y方向水力梯度等值线(H=4m)图5㊀细砂层底部Y方向水力梯度分布情况图6为细砂层底部(A A截面)压力水头分布情况,细砂层的渗透系数较小,在细砂层的阻挡下,细砂层底部承担了一定的压力水头,在管涌口处细砂层承担的压力水头占上游水头的44%左右,同时因管涌口处细砂层上部没有泥沙颗粒的阻挡,故管涌口处的细砂层很容易被冲破,发生破坏的临界水头较小㊂图6㊀细砂层底部压力水头分布情况2.3㊀多层堤基管涌发生的临界上游水头2.3.1㊀细砂夹层埋深1m多层堤基结构中,当细砂层在砂砾石层中的埋深㊃95㊃为1m㊁上游水头为14m时Y方向水力梯度的等值线见图7,图中堤基从上到下依次为黏土层㊁砂砾石层㊁细砂层㊁砂砾石层,水力梯度分布情况与图4类似,Y方向水力梯度最大值发生在管涌口下端的细砂夹层底面(A A截面),最大水力梯度达到2.14(见图8),超过了表2中计算所得的细砂层埋深为1m时对应的允许临界水力梯度2.00,因此在上游水头为14m时,细砂层被冲破,发生管涌破坏㊂图7㊀Y方向水力梯度等值线(h1=1m)图8㊀细砂层底部Y方向水力梯度分布情况(h1=1m)多层堤基结构中,因细砂层的分隔,还存在另一种形式的渗透破坏:在细砂层上部,黏土层与砂砾石层界面上可能发生沿着接触面逐渐向上游发展的侵蚀㊂这种形式破坏发生的标志是管涌口处细颗粒发生竖向运动并被带出管涌口,是否发生主要取决于渗透破坏的临界水力条件是否得到满足㊂图9为管涌口处(C C截面,见图7)Y方向水力梯度分布,由图9可知,管涌口处的水力梯度小于颗粒允许水力梯度,从而认定该种破坏并未发生㊂因此,对于夹砂层埋深1m的多层堤基结构,渗透破坏发生的标志为细砂夹层被冲破,渗透破坏发生的临界上游水头为14m㊂图9㊀管涌口处Y方向水力梯度分布情况(h1=1m)2.3.2㊀细砂夹层埋深2m多层堤基结构中,当细砂层在砂砾石层中的埋深为2m时,模拟结果与细砂层埋深为1m时类似㊂上游水头为25m时,细砂层底部Y方向的水力梯度分布情况见图10,管涌口处Y方向水力梯度分布情况见图11㊂图10㊀细砂层底部Y方向水力梯度分布情况(h1=2m)图11㊀管涌口处Y方向水力梯度分布情况(h1=2m)由图10㊁图11可知,Y方向水力梯度最大值发生在管涌口下端的细砂夹层底面,最大水力梯度达到3.22,超过了表2中计算所得的细砂层冲破的允许水力梯度3.12;管涌口处的水力梯度最大值发生在管涌口边界处,最大为0.366,超过了颗粒发生竖向运动的允许水力梯度,然而管涌口边界处超过允许水力梯度的区域很小,少量颗粒被带出管涌口㊂对于多层堤基,细砂层埋深为2m时,上游水头升高到25m,细砂夹层被冲破,同时管涌口边界少量颗粒被带出管涌口,两种渗透破坏的临界条件同时得到满足㊂因此,上游水头25m为夹砂层埋深2m的多层堤基结构发生渗透破坏的临界上游水头㊂2.3.3㊀细砂夹层埋深5m当多层堤基中细砂层埋深增大至5m㊁上游水头为21m时,由细砂层底部的水力梯度分布(见图12)可知,管涌口下端夹砂层底面的水力梯度最大,达到1.87,小于表2中计算所得的细砂层埋深为5m时对应的允许水力梯度6.48,因此细砂层未被冲破㊂图13为管涌口处的水力梯度分布情况,管涌口处的水力梯度最大值为0.395,超过了颗粒发生竖向运动的允许水㊃06㊃力梯度,颗粒流失的区域为X=84.0 84.5m㊂因此,在细砂层埋深为5m的多层堤基中,发生管涌的临界上游水头为21m,且破坏主要沿着堤基黏土层与砂砾石层界面,细砂夹层未被冲破㊂图12㊀细砂层底部Y方向水力梯度分布情况(h1=5m)图13㊀管涌口处Y方向水力梯度分布情况(h1=5m)由上述模拟分析可知,在多层堤基中夹砂层埋深存在一个临界埋深值,当夹砂层埋深小于临界埋深时,堤基主要发生竖向流土破坏;而夹砂层埋深超过临界埋深时,堤基主要发生沿黏土层与砂砾石层界面的颗粒流失㊂模拟结果表明,夹砂层埋深2m可以看作多层堤基中细砂夹层的临界埋深㊂此外,对于不同的堤基结构,发生渗透破坏的形式不同,且发生渗透破坏的临界上游水头有很大差异㊂表3总结了不同堤基结构发生管涌的临界上游水头,可知三层堤基结构(细砂层埋深为0m)发生管涌的临界上游水头最小,为4m;对于多层堤基结构,随着细砂夹层埋深的增大,发生管涌的临界上游水头逐渐增大,直到细砂层埋深为5m时,临界上游水头有所减小㊂对于含有细砂夹层,且夹砂层埋深不超过2m的堤基,发生渗透破坏的标志是细砂夹层被冲破,发生竖向流土破坏;当夹砂层埋深超过2m时,发生渗透破坏的标志是管涌口处夹砂层上部的细颗粒发生竖向运动并被带出,破坏沿着黏土层与砂砾石层界面发展,破坏与双层堤基类似㊂随着细砂层埋深的增大,管涌破坏发生的临界水头会不断增大,形成的管涌通道深度也不断增加㊂当细砂埋深达到一定深度时,细砂上部砂砾石层的渗水量增加,增加到足以将砂砾石表面的颗粒带出,此时管涌破坏的过程与双层堤基类似,通道主要形成在黏土下部的砂砾石表面,临界水头将会有所减小,然而由于细砂夹层的存在,上部砂砾石层中的渗水量仍小于双层堤基中砂砾石层中的渗水量,因此临界水头仍然大于双层堤基中发生管涌的临界上游水头㊂表3㊀不同堤基结构渗透破坏的临界上游水头m堤基结构双层三层(夹层埋深0m)多层(夹层埋深1m)多层(夹层埋深2m)多层(夹层埋深5m)临界水头194142521㊀㊀为了进一步研究细砂夹层对上游水头的阻隔作用,对相同水位㊁不同细砂层埋深下堤基内部的压力水头以及管涌口处的流量进行模拟分析㊂上游水头为10m时,双层堤基管涌口处的流量为2.2ˑ10-3m3/s;当细砂夹层埋深分别为0㊁1㊁2㊁5m时,管涌口处的流量分别为9.4ˑ10-4㊁1.5ˑ10-3㊁1.7ˑ10-3㊁1.9ˑ10-3m3/s,且细砂夹层底部压力水头分别占上游水头的43.6%㊁30.4%㊁27.8%㊁26.2%㊂随着细砂层埋深的增大,管涌口处的流量逐渐增大,细砂层底部压力水头占上游水头的百分比逐渐减小,也就是说随着细砂层埋深的增大,细砂层上部砂砾石层中的流量逐渐增大,但仍小于双层堤基中砂砾石层的流量㊂3㊀算例分析王霜等[12]通过自行设计的室内试验装置对双层㊁三层和多层结构堤基进行了管涌发展的砂槽模型试验,试验装置见图14㊂模型槽长100cm,宽㊁高均为30cm,模型槽左侧为一个长20cm的进水室,进水室与砂槽之间由透水板隔开,砂槽上游侧设置7cm长的砾石层,使水流均匀地流入试样内㊂模型槽顶面为刚性玻璃盖板,盖板下面设置一定厚度的黏土层,模拟弱透水的上覆层㊂在玻璃盖板上,距进水室60cm处预设直径为5cm的出水口,模拟上覆层被冲破后所形成的管涌口㊂模型槽内部布置多根测压管,测量试验过程中试样内部孔隙水压力的变化情况㊂3组试验涉及3种不同的土层结构,各试验方案的条件和试验结果见表4㊂管涌破坏的临界水力梯度为试样开始涌砂时的水平表观水力梯度i,i=H/L,其中:H为上游水头,L为管涌口到进水室的水平距离㊂㊀㊀试验结果表明,不同结构的堤基渗透变形的临界水力梯度有很大差异㊂双层堤基结构,管涌破坏主要沿着黏土层下部砂砾层表面发展,管涌发生的标志为管涌口下部的砂砾石沿竖向被带出管涌口,管涌发生的临界水力梯度为0.57;细砂夹层在砂砾石表面的三层堤基,水压力主要集中在细砂夹层底部,管涌发生的㊃16㊃图14㊀砂槽模型试验装置构造(单位:cm)表4㊀各试验方案的条件和试验结果堤基结构细砂夹层位置细砂夹层厚度/cm上覆黏土层厚度/cm临界水力梯度双层三层多层无砂砾石表面埋深1cm0115660.570.391.22标志为细砂夹层被冲破,且管涌口处的细砂夹层上部没有覆盖,故管涌发生的临界水力梯度较小,为0.39;细砂夹层埋深为1cm的多层堤基,管涌发生的标志同样为细砂夹层被冲破,管涌发生的临界水力梯度为1.22㊂该试验结果与本研究数值模拟结果完全吻合,当堤基中存在细砂夹层,且细砂夹层在砂砾石内有一定埋深时,随着细砂夹层埋深的增大,管涌发生的临界水力梯度逐渐增大㊂文献[12]推断,当细砂夹层埋深达到一定深度,即达到 临界埋深 时,细砂夹层上部砂砾石层的水量将会很大,大到足以将砂砾石层表面的颗粒带出,此时管涌破坏的过程与双层堤基类似,临界水力梯度将会有所减小,通道主要形成在黏土下部的砂砾石层表面㊂本研究数值模拟结果验证了该推断的正确性与合理性㊂4㊀结㊀论不同结构的堤基,管涌发生破坏的机理不同㊂双层堤基管涌破坏发生的标志是黏土层与砂砾石界面土体发生侵蚀㊂三层堤基管涌破坏发生的标志是细砂夹层被冲破㊂多层堤基中,细砂夹层的存在将堤基的砂砾石层分成了夹层上部与夹层下部两部分,堤基发生管涌时存在两种形式的破坏:夹层上部,在黏土层与砂砾石层界面上发生侵蚀破坏,破坏以管涌口下部颗粒发生竖向运动为标志;夹层下部,细砂夹层被冲破,发生竖向流土破坏㊂当堤基内部存在细砂夹层时,随着细砂夹层埋深的增大,发生管涌的临界上游水头逐渐增大,管涌通道深度会不断增加,发生管涌破坏的标志是细砂夹层被冲破,发生竖向流土破坏㊂当细砂夹层埋深达到一定深度时,细砂上部砂砾石层的水量增加,增加到足以将砂砾石层表面的颗粒带出,此时管涌破坏过程与双层堤基类似,通道主要形成在黏土下部的砂砾石层表面,临界水头将会有所减小,然而因细砂夹层的存在,上部砂砾石层中的水量仍小于双层堤基中砂砾石层中的水量,临界水头仍然大于双层堤基中发生管涌的临界上游水头㊂参考文献:[1]㊀刘川顺,彭幼平,李莫.长江堤防地基类型与防渗方案[J].水文地质工程地质,2001,28(6):20-22.[2]㊀马贵生,王造根.长江重要堤防工程地质勘察[J].人民长江,2002,33(8):60-62.[3]㊀李广诚,司富安,白晓民.中国堤防工程地质[M].北京:中国水利水电出版社,2005:9-12.[4]㊀殷建华.土堤管涌区渗流的有限元模拟[J].岩石力学与工程学报,1998,17(6):679-686.[5]㊀张家发,王满星,丁金华.典型条件下堤身堤基渗流规律分析[J].长江科学院院报,2000,17(5):23-27.[6]㊀周晓杰,介玉新,李广信.基于渗流和管流耦合的管涌数值模拟[J].岩土力学,2009,30(10):3154-3158.[7]㊀ZHOUXJ,JIEYX,LIGX.NumericalSimulationoftheDevelopingCourseofPiping[J].ComputersandGeotechnics,2012,44:104-108.[8]㊀刘杰.土的渗透稳定与渗流控制[M].北京:水利电力出版社,1992:32-33.[9]㊀刘忠玉,乐金朝,苗天德.无黏性土中管涌的毛管模型及其应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(22):3871-3876.[10]㊀SKEMPTONAW,BROGANJM.ExperimentsonPipinginSandyGravels[J].Geotechnique,1994,44(3):449-460.[11]㊀KOVACSG.SeepageHydraulics[M].NewYork:ElsevierScientificPublishingCompany,1981:53-55.[12]㊀王霜,陈建生,黄德文,等.土层结构对管涌发展影响的试验研究[J].岩土工程学报,2013,35(12):2334-2341.ʌ责任编辑㊀许立新ɔ㊃26㊃。
软⼟地基是指压缩层主要由淤泥、淤泥质⼟或其他⾼压缩性⼟构成的地基。
其承载能⼒很低,⼀般不超过50KN/m2.在软⼟地基修筑堤防⼯程,必须解决好四个⽅⾯的问题:①地基的强度和稳定性问题。
②地基的变形问题。
③地基的渗漏和溶蚀问题。
④地基的振动液化与振沉问题。
因此,研究堤防⼯程软⼟地基的特征,提出相应的处理措施就⼗分重要了。
⼀、软⼟地基的特征 软弱⼟包括淤泥、淤泥质⼟、杂填⼟及饱和松散粉细砂与粉⼟。
堤防⼯程中主要是指天然孔隙⽐⼤于或等于1.5的亚粘⼟、粘⼟组成的淤泥和天然孔隙⽐⼤于1.0⼩于1.5的粘⼟组成的淤泥质粘⼟。
其主要特征如下: 1.孔隙⽐和天然含⽔量⼤我国软⼟的天然孔隙⽐e⼀般在1~2之间,淤泥和淤泥质⼟的天然含⽔量W=50~70%,⾼的可达200%,普遍⼤于液限。
2.压缩性⾼我国淤泥和淤泥质⼟的压缩系数⼀般a1~2都⼤于0.5MPa-1,建造在这种软⼟上的建筑物将发⽣较⼤的沉降,尤其是沉降的不均匀性,会造成建筑物的开裂和损坏。
3.透⽔性弱软弱⼟尽管其含⽔量⼤,透⽔性却很⼩,渗透系数K≤1(mm/d)。
因此,⼟体受到荷载作⽤后,呈现很⾼的孔隙⽔压,影响地基的压密固结。
4.抗剪强度低 软⼟通常呈软塑~流塑状态,在外部荷载作⽤下,抗剪性能极差,我国软⼟⽆侧限抗剪强度⼀般⼩于30KN/m2(相当于0.3KN/m2)。
不排⽔剪时,其内摩擦⾓⼏乎为零,抗剪强度仅取决于凝聚⼒C,⼀般C<30KN/m2;固结快剪时,内摩擦⾓=5°~15°。
5.灵敏度⾼软粘⼟上尤其是海相沉积的软粘⼟,在结构未被破坏时具有⼀定的抗剪强度,但⼀经扰动,抗剪强度将显著降低。
其灵敏度(含⽔量不变时原状⼟与重塑⼟⽆侧限抗压强度之⽐)⼀般在3~4之间,有的甚⾄更⾼。
⼆、软⼟地基失稳的机理 引起软⼟地基上堤防滑动破坏的原因,在于软弱地基中某⼀⾯上的剪应⼒⼤于等于它的极限抗剪强度。
究其原因主要有两个⽅⾯:⼀是由于剪应⼒的增加。
堤防软土边坡稳定性分析摘要:控制堤防边坡稳定性的关键因素就是堤防堤分布,软土有着灵敏度高、流变性、强度低、含水率高等特征,让软土边坡破坏方式也和其他粘性土边坡不同。
从实际案例出发,借助软土流变案例分析软土强度衰减特点,并且将实验结果计算到实际工程中,提出堤防工程软土边坡过程中强度参数要选用长期强度指标当做边坡计算参数。
此研究成果是对堤基下分布软土的堤防边坡分析有着指导建议。
关键词:堤防边坡;强度衰减;软土流变引言:某城市位于长江区域附近,四周河网众多,历经多年修成了堤防,很多堤防堤基下方有着淤泥质土,在软基上的堤防稳定性和安全性主要是由软土层控制,并且也受到了水位影响。
在最近几年,已经建立堤防在多年运行里面通常是处于稳定的状态,该地区多处发生强降雨、造成了农田被淹,河道水位超新高,带来了极大的经济损失,所以应扩大河道行洪能力、提升防洪标准。
在工程建设过程中,出现多处软土堤基上的边坡问题,引发了社会关注,同时在后期进行堤防修复过程会遇到各样问题。
软土有着流变性高、含水率大、强度低、渗透性低等特征,软土流变性在力学上的特征不同于粘性土,土的流变性对于软土有着一定影响,进而对地基承载力和边坡的稳定性有着影响。
1场区工程地质条件1.1地貌某条河流作为长江支流,拟建的场地是属于长江漫滩地貌,堤防两侧的初始地面标高是8.50-9.30米,当前河堤堤顶高程通常在12.5-13.4米。
[1]因为附近建设公园,堤防堤顶要低于右岸堤后填土,局部堆应超过10米,四周环山,强度较低、渗透性高和流动大等特征,让软土边坡极易造成破坏。
1.2水文地质因素场地地下水的种类通常是第四系松散堆积层空隙潜水。
大气降水和水位影响着地下水位,地下水和场地有着紧密的水利联系,通过的水区域影响着地下水位,尤其是在堤防过程中出现的概率可能更大。
1.3堤防工程地质种类此段河道堤防堤基在四周分布着软黏土,根据地质类型为双层结构,堤基工程地质类型是C类,堤岸稳定性属于第三种,稳定性较差。
探讨水利堤防工程软土地基处理施工技术摘要:我国不断加快的国民经济发展速度和不断进步的科学技术使水利工程建设体系越来越完善,这给工程的顺利实施提供了坚实基础。
作为水利堤防建设的关键工程,软土地基在建设过程中需要确保处理方式的合理性和管理体制的有效性,从而进一步提高施工质量,使水利工程结构的稳定性和安全性得到保障。
关键词:水利堤防;软土地基;处理施工技术引言:软土地基作为水利堤坝工程质量的基本保障,其施工质量的高低直接关系到水利堤坝的安全性。
因此,在对软土地基进行处理施工时,要充分掌握软土的基本特性和相关地质数据,并以此为依据选择合适的处理施工技术方法和管理体制。
只有这样,才能有效的保证软土地基的稳定性,进而保证水利堤坝工程的安全。
1 软土地基概念及危害概述1.1 软土地基的概念软土地基的构成成分为粉土和粘土等,其中松软土细微颗粒含量多、有机质土空隙大、松散砂及泥炭等土层容易发生沉降,稳定性极差。
软土地基有其独特的特性:第一,触变性。
未遭破坏之前,软土形态为固态;一旦遭到破坏,软土形态则会变成流动状态,这就是软土地基的触变性;第二,低透水性。
由于透水性极差,在工程建设中,软土地基的排水固结需要花费较长的时间。
大量精力投入到软土地基的排水固结作业当中,尤其是建筑物的沉降时间,长达十年以上;第三,高压缩性。
建筑物在软土地基上的沉降程度与所受高压压缩系数的大小直接相关。
地基压缩变形的临界垂直压力为0.1MPa,这时候就会导致软土地基上的建筑物产生较大的沉降幅度;第四,沉降速度快。
当垂直压力增大时,建筑物在软土地基上的沉降速度会随之加快,如果地基条件相同,那么越高的建筑物沉降速度越快;第五,不均匀性。
高分散颗粒和细微颗粒是软土地基的两个组成部分。
由于两种土质密度差异,导致不同土质上的建筑物沉降情况因受力情况不同而不同。
由于这种不均匀性的存在,会使得软土地基上的建筑物产生不规则裂缝,甚至是严重破损。
1.2 软土地基的危害由于软土地基存在较大的不可预见性,一旦施工过程中处理不当,就有可能导致建筑物受损,地基再难固定,沉降随之发生。
1、前⾔ 堤基抗滑稳定是涉及堤防⼯程安全的主要⼯程地质问题之⼀。
堤基常遇具不利结构的不良⼟体,不良⼟体堤基抗滑稳定评价更多地依靠⼯程地质分析。
但传统分析⽅法重⼟层单元,轻⼟体结构;重单因素分析,轻多因素综合;重静态评判,轻动态预测,不能满⾜对复杂问题的分析评价。
本⽂采⽤把堤基⼟体当作⼀个系统进⾏分析的思路,在查明堤基⼟体结构的基础上,合理选取⼟的抗剪强度参数,综合考虑环境因素,对梧州河西防洪堤某段堤基抗滑稳定问题进⾏系统分析,使堤基抗滑稳定评价更为全⾯、合理。
2、堤基⼟体系统及其抗滑稳定⼯程地质评价基本思路 2.1 堤基⼟体系统概述 “⼟体”是指多种⼟层构成的组合体,其性质不等于其中某⼀⼟层的性质,也不等于各⼟层性质的简单迭加,⽽是相互作⽤、相互影响的有机整体。
这是⼀种把⼟体当作⼀个系统看待的新认识。
这⾥,⼟体的结构是各种⼟层的特定组合关系,是以⼟层为单元的宏观结构,区别于以⼟粒为单元的⼟的微观结构和以纹层为单元的中观结构。
根据⼀般系统论原理,控制系统功能的三要素是:单元(或称元素)的性质、系统的结构和环境的影响,三者对不同系统的功能控制程度不同,复杂系统的功能更多地受结构控制。
对堤基⼟体系统⽽⾔,控制堤基稳定性的三要素分别是:⼟层的物理⼒学性质、⼟体的结构及环境的影响。
显然,均质堤基的稳定性主要取决于⼟层的物理⼒学性质;⾮均质堤基的稳定性则由⼟体结构控制;环境因素多起诱发或累积作⽤,对堤基动态稳定常起控制作⽤。
⽂献从堤基抗滑稳定⾓度,将堤基分为均质和⾮均质两⼤类。
前者以⼟质控制堤基稳定,后者以⼟体结构控制。
详细分类见表1。
表1 堤基结构分类表堤基分类亚类堤基类型堤基稳定问题均质堤基⼀般⼟质⼀般均质⼀般不存在不良⼟质软⼟施⼯期稳定问题膨胀⼟长期稳定问题⾮均质堤基⼀般⼟体⼀般⾮均质⼀般不存在不良⼟体具软弱夹层夹层控制堤基稳定具弱抗冲层冲刷危及堤基稳定具硬卧(阻⽔)层阻⽔顶板控制堤基稳定 “不良⼟体”是指具不利结构的⼟体。