（水利工程专业论文）海河干流治理工程吹填土筑堤研究.pdf

摘要 将吹填工艺用于港口、水利工程已相当普遍，如吹填造陆、吹填固堤等。但 采用吹填工艺将河道新近沉积土搬运上来后，经过一段时间的自然固结，再将此 土用于常规碾压填筑堤防却未见报道。吹填土有其自身的特性，将其用于堤防填 筑要满足施工要求，同时堤防在各种工况下应满足安全稳定性要求和渗流稳定性 要求。天津市海河千流治理工程试验段堤防中成功地实现了吹填土堤防的填筑。 本文结合海河干流治理工程中吹填土筑堤试验段实际情况，对吹填土筑堤的 可行性、堤防安全性进行了评价。 ( 1 ) 对吹填土的物理力学性质进行了统计分析，为设计研究提供了依据。 ( 2 ) 采用了近似公式计算法、有限元程序分析法，对吹填土堤防做了渗流 分析计算，并结合吹填土渗透破坏模型试验结果，对该堤防的渗透稳定性做了评 价。 ( 3 ) 采用瑞典圆弧滑动法，计算了堤防断面在各种运用工况下的抗滑稳定 安全系数，对堤防整体稳定性做出评价。 ( 4 ) 应用大型通用a n s y s 有限元结构分析软件中的d r u c h e r - p r a g e r 本构关 系弹塑性模型，对堤防的沉降、变形及应力水平进行了分析，从应力一应变角度 评价了堤防的安全性。 ( 5 ) 对堤防进行了现场实际观测，验证了沉降计算结果。 通过计算分析及工程运转中实际观测分析表明，在海河干流治理工程中，用 吹填土成功地筑成了试验堤段。其为堤防工程修筑提供了一个新的方法，在土地 资源紧张、注重环境保护的当今形势下，该方法具有很高的性价比，值得推广应 用。 关键词：吹填土；堤防工程；渗流：稳定性；沉降观测 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 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：喜串莎毙签字日期：刎年，2 月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授 权墨生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 签字日期汐乒年但月抽日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国平原地区河流均建有堤防。据统计，到2 0 0 1 年全国己建堤防总长达2 5 万多公里。由于河流蕴含着人们赖以生存的水资源，故河流两岸往往人口密集， 人均占有土地资源量较少。然而，作为防洪屏障的堤防却需要大量的土方来填筑。 堤防工程一方面保护了水资源，防止了洪水对两岸人民生命、财产的威胁，另一 方面却又占有了极其珍贵的土地资源。实现防洪效益的同时，尽量减小对土地资 源的破坏，降低工程成本，是河道治理工程中急需解决的问题。 在1 9 9 8 2 0 0 0 年进行的天津市海河干流治理工程中上述矛盾较为突出。海 河干流起于子牙河与北运河的交汇处，流经天津市区、东丽区、津南区、塘沽郊 区及塘沽市区，汇入渤海湾，全长7 3 4 5 k m ，其中郊区段长4 9 6 k m 。设计行洪流 量为8 0 0 m 3 s 。郊区段堤防型式为均质土提，需要筑堤土方6 0 0 万m 3 ，征地取土 地面积6 0 0 0 亩。然而，海河两岸人口密集，人均占有耕地不足l 亩，征地费较 高，土料到工地价约2 0 元m 3 ，土料费占工程造价的5 0 以上。另一方面，征地 补偿费相对农民的土地耕种收益很低，实施征地又相当困难。 为了降低工程造价，减小取土对土地的破坏，设计人员构想将海河河道中淤 积土用于堤防填筑。如果该方案可行，则可以大大降低对土地资源的占有，加大 河道行洪能力，有利于河道疏浚，降低工程造价。为了实现上述设想，设计人员 于1 9 9 7 1 9 9 8 年分别在东丽区、塘沽郊区选择了几个合适的位置进行试验。其 方式为使用绞吸式泥浆泵将河道淤积土吸上来，通过输泥管道输送到原有河道堤 岸后吹填池内。待吹填土固结l 2 年后，再用此吹填土筑堤。 设计单位经过大量的地质勘察，取得了丰富的第一手资料，于1 9 9 9 2 0 0 0 年完成了吹填土堤防填筑作业，并进行了后续工程沉降观测。 1 2 国内外进展情况 1 2 _ 1 吹填土加固技术进展 “吹填”又称“水力冲填”，其工艺流程是采用水力机械在料场挖土，将土 料搅成泥浆，用压力管道输送至作业面，在作业面上完成沉积与淤填。吹填土的 工程力学性质较差，吹填土作为工程建设的地基时一般需要加固处理。 随着我国经济建设的发展，近年来填海造陆工程成为沿海工程建设中的重要 组成都分。填海造陆多采用吹填法，因而吹填土地基的加固技术得到了空前发展。 第一章 绪论 填海造陆工程在国内外都已取得了一定的成绩，形成相应的岩土工程实验、治理、 施工等规程。吹填材料最理想的是中粗砂，然而很多地方由于砂源紧缺和建设深 港口的需要，不得不采用近海新近沉积的海底软土( 粘性土) 作为吹填料。而该 软土在吹填之后需要经2 3 年的自然沉积固结，待表面形成硬壳，方可加固处 理。在软土地基处理工程技术方面近年来发展迅速，以张诚厚、刘祖德等为代表 的研究者对吹填地基加固如堆载预压、粉喷桩、夯扩桩、深层搅拌桩、真空预压 等方面进行了行之有效的研究。但由于受工程条件限制，这种造陆方式在时间和 财力上的耗费都很大。如天津乙烯工程，吹填面积达1 0 k m 2 ，可行性报告拟采用 上述方法加固，造价达2 6 8 元m 2 ，工期需3 年或更久，政府及国外投资方均表 示难以承受。国内外类似的大型工程还有黄骅港、深圳盐田港、青岛前弯港、天 津新港、日本大阪港等工程。如何能找到一种更合理、更经济的加固技术，在吹 填的同时就进行加固，使吹填土尽快地从泥浆状态转变为具有一定承载力的地 基，将对围海造陆工程建设带来巨大益处。国内外许多学者都在致力于把这一设 想付诸实践，如2 0 世纪7 0 年代后期，日本大阪港采用塑料排水板与真空降水相 结合的方法，取得了理想的效果1 1 】；国内张诚厚等于8 0 年代末在连云港采用类似 方法加固吹填土取得了成功【2 j 。用这种方法加固吹填土已迈出了一大步。 但在吹填土的加固机理研究方面，多采用现场试验，着眼于吹填土宏观力学 表现，并通过先进的现场监测技术，进行信息的采集、反馈和调控，以满足设计 要求。对吹填土在复杂条件下内部排水和强度变化的机制所做研究不足，存在着 理论落后于实际的技术现象，其中最突出的有以下两个问题【3 l ： ( 1 ) 在理论上，对吹填土排水及强度的本质研究不够。对吹填土排水及强 度的研究只能依靠“黑箱”理论只研究土样在插入排水板后，求得的实验数 据如何，不讨论形成该数据的机理所在。由该实验建立排水与强度的关系模型， 结合现场监测结果，虽然能满足生产的一般需要，但土中的排水效应被间接地模 拟，即模型不是通过物理性质来解释的。因此，在生产实际中，土体加固理论只 能采用物理方法，不能上升到理论的认识高度，这样就给生产上一些较大的工程 带来了一定的盲目性和随机性，导致吹填土加固的理论计算与实际偏差较大。 ( 2 ) 在实际应用上，塑料排水板与真空降水相结合的方法在应用上与工程 要求还有一定的差距。例如，在吹填土中打设塑料排水板还需要相当长的沉淀时 间，这无疑要延长工期；地基内如夹有排水砂层，真空降水的密封性不够，将会 大大降低加固效果。 第一章绪论 1 _ 2 2 吹填筑堤技术进展 土料吹填筑堤，即在拟筑堤处修建围堰，用吹填方法将土料分层淤固形成堤 防。此种方法要求的堤防断面大，土料为非粘性土或少粘性土，施工后做断面的 稳定性校核计算，必要时做修正断面设计【4 】。此种筑堤方法比较成熟，已写进堤 防工程施工规范s l 2 6 0 9 8 。例如在黄河下游堤防加固工程中大量采用了淤填固 堤技术。 编织布袋充填砂土筑堤是吹填筑堤的另一较为成功的方法，将砂土分层吹填 进编制布袋中，两侧边坡做防护，视情况再做防渗处理。如上海石洞口电厂储灰 场灰坝及上海宝钢陈行水库等都采用了上述筑堤方法。 上述两种吹填筑堤方法技术简单，工程造价低，但适用性受到限制，需要有 可靠的砂源，较大的施工场地。 将软土地基加固中的抽真空预压固结法用于吹填筑堤是新近提出的一种吹 填筑堤方法。2 0 0 1 年在天津市海挡加固工程中，天津市水利科学研究所做了吹填 真空预压筑堤原型实验。实验将新近沉积的海滩淤泥作为吹填土料，分层吹填、 分层抽真空预压，使吹填土在短时间内固结。但该工艺繁琐，且由吹填的要求造 成堤防断面较大，土方量大，工程占地也较大。堤防断面由吹填土真空预压形成， 堤防土体密实度不高，筑堤后的沉降量较大。该工艺堤防延米工程造价约l 万元， 比一般均质土堤高近1 倍，经济效益较差。 在国内外，堤防型式主要为土堤、石堤、土石结合堤，在国外也发现有灰土 堤、钢渣堤等少有堤型，都体现了堤防工程设计中的因地制宜、就地取材的主导 思想。在土地资源紧张，堤防断面不能过大，又没有合适的非粘性吹填土料的情 况下，将河道中的新近淤积土吹填上来，经过短期的自然固结，然后做简单的翻 晒处理，再用于筑堤则是一个很好的构想。 1 3 本课题所做工作 本文结合海河干流治理工程吹填土筑堤试验段实际情况，对吹填土筑堤设计 典型断面进行了安全复核计算，所做的工作有如下几个方面： ( 1 ) 海河干流吹填土的物理力学性质分析。由于吹填土源的不同，吹填土 的性质变化较大，对天滓市水利勘测设计院所做的地质勘奄数据进行分析总结。 ( 2 ) 渗流分析。本文采用了堤防工程设计规范中的公式近似计算法和渗流 有限元法，对堤防典型断面进行了渗流分析计算。进行吹填土渗透破坏模型试验， 研究吹填土堤防断面是否满足渗流稳定要求。 第一章绪论 ( 3 ) 堤防整体稳定分析。本文采用瑞典圆弧滑动法，计算了堤防典型断面 在各种工况下的抗滑稳定安全系数。 ( 4 ) 变形分析。使用a n s y s 通用大型有限元软件，采用d r u c h e r - p r a g e r 模 型，对堤防断面的沉降、位移及应力水平进行了分析。 ( 5 ) 沉降观测。试验段工程完工，间隔一定时间后观测堤顶沉降量。实测 沉降量与计算值进行了对比，从而验证了沉降计算分析的可靠性。 通过上述工作，可以判断海河干流吹填土是否满足筑堤要求，判断拟定断面 是否满足渗透稳定性及边坡的抗滑稳定性要求，从而对吹填土堤防的可行性及安 全性做出综合评定。 第二章海河干流吹填土筑堤工程概况 第二章海河干流吹填土筑堤工程概况 2 1 海河干流治理工程吹填试验段概况 海河干流为天津市重要行洪河道，由于近年河道及河口淤积及地面下沉，使 河道行洪能力大为减弱，河道的实际泄洪能力现只有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。治理内容包括堤防加固、河口清淤及穿堤 建筑物加固改造等：治理后达到标准为河道设计行洪能力8 0 0 m 3 s ，工程等别为 i i 等，堤防及穿堤建筑物级别，市区段为2 级，郊区段为3 级。河道正常水位2 5 m ( 大沽高程，下同) ，设计洪水位5 0 7 3 8 5 m ，堤顶高程6 3 2 5 3 2 m ，设计堤 顶宽6 m 。 由于堤防工程需要大量土方，且就近取土困难，设计单位结合原海河堤后及 河道滩地实际地形，选择适合堤段在原堤后洼地、坑塘进行了吹填。一方面做到 对堤基填塘加固，另一方面可利用剩余吹填土进行堤防填筑。吹填段见表2 1 ， 吹填工程位置见附图。 表2 - 1 设计吹填段一览表 2 2 吹填施工工艺 施工机械由绞吸式泥浆泵输泥系统和配电系统组成。前者包括绞吸泥浆泵、 浮体、输泥管。后者包括发电机组、配电箱和防水电缆。吹填工艺流程见图2 1 。 吹填施工过程为先对沉淀池清基、修沉淀池围堰，围堰材料用沉淀池的清基 土，内侧边坡铺一层过滤型土工布。围堰外侧挖一道排水沟，沉淀池渗水由排水 沟排出。吹填池间隔5 0 8 0 m 设一道横向围堰。围堰顶溢水口与进泥口相距2 0 0 m 以上。泥浆泵通过输泥管将从河道水下绞吸上来的泥浆输送到沉淀池，泥浆沉淀 后，不易沉淀的悬浮颗粒及水从围堰顶溢流口排出。泥浆泵连续向沉淀池内输送 泥浆，直到淤积泥浆的达到距离围堰顶0 2 m 左右停止输送泥浆，移至下一池吹 第二章海河于流吹填土筑堤工程概况 填。待前一池固结1 0 天后再吹填第二层，使吹填作业循环进行，直至达到设计 吹填高程。 厂_ 1 土料场勘探h 确定吹填土料1 匠巫一 l 匮受匾蛩_ 莲堕亘 僮垂豳 泥浆泵绞吸泥土j 吹填池l h 厂一l 一l 【 匣击丽卜一掣划i 辛幽坠匾】压力管道输送卜一 一j 卜2 2 2 一结束】 困豇j 图2 - 1吹填工艺流程图 在吹填施工中，往往会出现输泥管出口的近端粗颗粒比较集中，远离出泥口 端的细颗粒比较集中，而且沿池深方向泥浆中的土颗粒由于受重力作用的影响而 沉淀，形成上面土颗粒较细，下面颗粒较粗的自然分离状态。从现场开挖实验中， 可明显见到厚薄不等的粘性土夹层，一般厚度3 c m ，而且分布不均。这种现象需 通过移动输泥管出口位置加以控制，输泥管口日移动2 3 次。 吹填工艺为水力机械化土方施工，以模拟自然界水流冲刷原理借助于水的作 用来进行挖土、输土、填土。吹填施工不受天气影响，在一般的土质情况下，输 送距离2 0 0 m 以内，扬程l o m 以下，每台班可完成吹填土方1 0 0 2 0 0 m 3 ，工效 较高。 2 3 吹填土筑堤设计断面 吹填土筑堤典型断面型式见图2 2 。 各吹填段均在海河干流下游段，相距较近，河道设计洪水位3 8 4 3 8 0 m ， 堤顶高程5 9 4 5 9 0 m 。原有堤防为历年防洪抢险加固而成。经勘查分析，其堤 身土质量基本满足堤防设计要求，其堤顶高程及堤宽均不满足防洪要求，临河侧 原有浆砌石护岸可以利用。设计断面利用原有堤防做前戗，复土堤，前后边坡坡 比1 ：2 5 ，堤顶宽6 m 。考虑吹填土抗雨淋能力低，并结合环境绿化及水土保持的 要求，两侧堤坡做种植草皮防护。原有浆砌石墙护岸前做抛石防护。 原堤后吹填土堤基经自然固结，表面形成了纵横交错的裂隙。为切断此渗漏 通道，吹填土表层8 0 c m 厚采取换基处理。下部吹填土虽处于欠固结状态、含水 量大、压缩性高、承载力低，但由于堤防高度不大，堤基附加应力不大。经计算， 第二章海河干流吹填土筑堤工程概况 若下部吹填土不做加固处理，复堤后堤基不会被破坏。故下部吹填土堤基不再做 加固处理。 上部堤身填筑土采用吹填土。土料经过翻晒处理后，分层碾压填筑。控制压 实度不小于o 9 0 。施工预留沉降超高按堤高的5 计算。 经过1 年1 年半的自然固结，各吹填段分别在1 9 9 9 年2 0 0 0 年完成了堤 防填筑。 2 4 吹填土堤防经济效益 按2 0 0 0 年物价指标计算，经过1 年自然固结后的吹填土方成本单价为8 元m 3 ，土料翻晒及筑堤碾压造价为1 0 元m 3 。综合计算，吹填土堤防延米工程造 价为2 1 0 0 元m 。常规征地取土，土方单价为2 1 元m 3 ，延米工程造价为2 9 7 0 元 m 。海河干流吹填土筑堤试验段工程直接投资1 5 9 6 万元，比常规征地取土筑堤 节约投资6 6 1 万元。用河道吹填土筑堤具有明显的直接经济效益。同时，吹填土 筑堤减少了土地征用，节省了土地资源，保护了环境，而且有利于河道疏浚，其 效益显著。 第二章海河干流吹填土筑堤工程概况 8 匝阻炻副球#秘骅搭刊翳瞽 n - 乙囤 第三章海河干流吹填土的物理力学性质分析 第三章海河干流吹填土的物理力学性质分析 3 1 吹填料场地层分布特征 吹填土料场位于堤脚外4 0 m 的水下滩地。料场揭露地层均为第四系全新统地 层，土壤类别及性质自上而下分布如下： ( 1 ) 淤泥，普遍分布于河底，厚度o 6 1 1 m ，深灰色，流塑状，以极细粒 为主，含有大量有机质： ( 2 ) 淤泥质粉质粘土，厚度o 4 2 o m ，黄灰色，流塑状，含有大量有机质； ( 3 ) 粉土，厚度o 4 2 9 m ，灰色，饱和，软塑流塑状，含碎贝壳： ( 4 ) 粉质粘土，最大可见厚度6 4 m ，灰色，饱和，软塑流塑状，含碎贝 壳。 高程1 3 m 以下的粉土、粉质粘土层为吹填取土层。料场取土层颗粒组成 见表3 。1 。按颗粒组成，吹填土料满足筑堤要求。 表3 1 料场土层颗粒组成特征 3 2 吹填土的物理性质 3 2 1 颗粒组成 在东丽区大郑庄至魏王庄段6 个吹填池中取了1 0 组土样，在塘沽郊区3 个 吹填池中取了1 4 组土样，做颗粒组成分析，统计平均值见表3 - 2 。按粘粒含量判 断，东丽区吹填土满足堤防工程设计规范中均质土堤的粘粒含量1 5 3 0 的要 求，塘沽郊区吹填士粘粒含量偏低。 表3 - 2 颖粒组成分析统计表 与吹填料场土相比，两个区的吹填土粘粒及粉粒含量均有不同程度降低。泥 浆在沉淀过程中，部分细小颗粒被水带走，造成了颗粒“粗化”。颗粒土层在垂 第三章海河干流吹填土的物理力学性质分析 直分布上，呈细致层理结构，粘土、粉土、碎贝壳、细砂交互层叠：颗粒在水平 分布上，距出泥口越远土粒越细，出泥v i 附近存在大量碎贝壳。 3 2 2 物性指标 吹填后一年，表层o 5 0 8 m 厚为风干固结的硬壳层，并出现较深的龟裂： 下部吹填土仍呈软塑流塑状。吹填土硬壳层下土的物理力学性质统计见表3 3 。 东丽区硬壳层下部吹填土物性指标平均值为含水量4 7 6 ，孔隙比1 3 6 3 ， 塑性指数1 6 7 ，干容重1 1 7 9 c m 3 ，室内击实试验最大干容重为1 6 7 9 c m 3 ，最优 含水量1 8 5 。塘沽郊区硬壳层下部吹填土物性指标平均值为含水量3 0 9 ，孔 隙比0 9 2 7 ，塑性指数7 8 ，干容重1 4 1 9 c m 3 ，土样室内击实试验最大干容重1 7 1 g c m 3 ，最优含水量1 5 5 。按塑性指数分类，东丽区吹填土为粉质粘土，塘沽郊 区吹填土为粘质粉土。 由吹填后半年、一年及一年半土的物理性质看，上部硬壳层逐渐增厚，下部 吹填土物理指标变化不大，固结缓慢。 由一年后原状土样的渗透试验，东丽区吹填土垂直平均渗透系数为1 9 3x 1 0 一c m s ，水平平均渗透系数为1 2 2 1 0 。4 c m s ；塘沽郊区垂直平均渗透系数为2 0 5 1 0 一c m s ，水平平均渗透系数为1 8 3 1 0 。4 c m s 。原有堤防及堤基土平均渗透系 数为1 1 0 - 5 e m s 。 吹填土表层干缩裂缝经现场碾压后，做注水试验，发现表层8 0 c m 内土层渗 透系数平均为5 3 2 1 0 - 2 c m s 。 取两个区的吹填土样，重塑，按压实度0 9 0 击实，做渗透试验，渗透系数相 近，平均值为3 2x1 0 一c m s 。 3 3 吹填土的力学性质 3 3 1 抗剪强度 吹填一年后下部吹填土土样的直剪快剪指标如下。东丽区土样内摩擦角o = 2 。2 9 5 。，平均值为8 7 。；粘聚力c = 5 2 6 k p a ，平均值为5 9 k p a 。塘沽郊区 土样内摩擦角中= 5 。3 0 5 。，平均值为1 2 4 。：粘聚力c = 5 7 1 3 2k p a ，平 均值为9 8 k p a 。吹填一年半后，吹填土硬壳层下原位电测十字板剪切试验成果见 表3 4 、表3 5 。 l o 第三章海河干流吹填土的物理力学性质分析 3 3 3 压缩性 吹填后一年，硬壳层下部吹填土压缩性质，东丽区土的压缩系数a 1 - 2 = 0 2 4 表3 3吹填土硬壳层下土层物理力学性质统计表 层琴 含水重度干重度孔隙液限塑限塑性液性凝聚内摩压缩压缩十字板 名量 ( k n m 3 ) ( k n m 3 ) l t ( 呦( ) 指数指数力擦角系数膜量强度 称 号()(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 茔数据个数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 标准差 1 3 2101803 2 78 , 42 46 2o 4 271 00 431 384 7 变异系数0 3 4o 0 6 0 1 4 标准值 2 耄剧、值3 1 21 891 4 4 土最大值 3 1 71 9 21 46 数据个数2 22 平均值 3 1 5 1 9 01 45 标准差0 4 0 20 1 变异系数0 0 10 0 lo0 1 标准值 3 毽最小值 2 7 31 851 4 0 地 粘最大值 3 3 11 9 21 5 数据个数666 平均值2 9 91 891 4 5 标准差2 40 20 4 变异系数00 8o0 1 0 0 3 标准值 4 箍剐、值2 7 9 1 75 1 2 9 粘最大值3 5 8 1 8 71 4 5 土 数据个数787 平均值 3 1 51 8 , 41 40 标准差 3 30 40 6 变异系数0 1 10 0 2 0 0 4 标准值 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 叭据 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学性质分析 1 2 第三章海河干流吹填土的物理力学性质分析 1 2 6 m p a 1 ，平均值为0 8 4 m p a 1 ；压缩模量e s = 2 1 4 5 5 1 m p a , 平均值3 5 8 m p a 。塘 沽郊区土的压缩系数a 1 2 = 0 0 6 o 4 0 m p a q , 平均值为0 2 5 m p a 1 ：压缩模量e s = 7 0 7 3 0 6 3 m p a , 平均值1 4 5 7 m p a 。 3 4 吹填土工程性质综合分析 通过对吹填土的物理力学性质检测试验，海河干流吹填土具有如下的工程性 质： ( 1 ) 吹填工艺造成的土料颗粒“粗化”使得吹填土中粘粒含量偏低，东丽 区吹填土属于粉质粘土，塘沽区吹填土属于粘质粉土。由于吹填出泥口的位置不 同，吹填土的工程性质差异性较大，用吹填土筑堤应结合翻晒做拌和处理。 ( 2 ) 吹填土表层龟裂深度范围内，由于裂缝的存在造成难以压实，渗透系 数过大，应以挖换处理。下部土层水平渗透系数较大，应做渗透稳定分析以确定 是否需要做防渗工程措施。 ( 3 ) 由于吹填段位于堤后地势低洼处，地下水位较高，吹填土固结以表层 水分蒸发为主，地下水位以下部分固结缓慢。下部吹填土含水量大、抗剪强度低、 压缩性大，呈现软土特征。吹填土堤基是否需要处理，应对拟定设计断面做边坡 稳定分析及应力应变分析后确定。 第四章渗流分析 第四章渗流分析 4 1 渗流分析内容及方法 渗流分析内容包括：( 1 ) 计算浸润线位置，为堤防边坡稳定计算提供参数； ( 2 ) 计算出逸点的位置、溢出段及背水侧堤基表面的出逸比降，与试验允许比 降值比较，从而评价堤防断面的渗透稳定性。 考虑堤防渗透稳定的重要性，渗流分析拟采用理论公式法、有限单元法及实 物模型试验法等三种方法进行分析计算。 4 2 渗流计算工况 堤防的挡水是有时间性的，在挡水时间内不一定能形成稳定渗流的浸润线， 但海河干流为天津市重要的行洪河道，堤防级别为3 级，应按稳定渗流计算。 计算工况水位组合为：( 1 ) 临河侧为设计洪水位3 8 2 m ，背河侧为相应低水 位1 5 0 m ：( 2 ) 洪水位在1 2 小时内由3 8 2 m 降落到3 0 m 。 4 3 公式法渗流计算 4 3 1 基本假定 实际筑堤土料各部位、各方向的性质不同，即使是相同的土料在分层碾压的 旌工工艺下也会造成水平向与竖向性质的不同。按吹填土的颗粒分析，吹填土为 细颗粒土，渗流计算可假定各项同性，按均质坝计算。坝身土渗透系数按吹填重 塑土平均值计算，坝基土渗透系数采用加权平均法确定。 4 3 2 浸润线计算 4 3 2 1 渗流基本方程 根据已有研究，当土体中渗流为层流时，渗流满足达西定律。一般认为，雷 诺数r e 1 0 时，达西渗流定律就可以满足。 根据水的密度p ， 雷诺数 流速v ，水的粘滞系数r t r e = p v d r 土粒子平均粒径d ，可以算出 ( 4 - 1 ) 第四章渗流分析 考虑水的密度p = 1 o ( g c m 3 ) ，水温1 0 时水的粘滞系数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 ) ，则满足达西渗流定律的土的平均粒径d d 行r e p v o 5 2 m m ( 4 - 2 ) 海河干流吹填土平均粒径小于o 5 2 m m ，满足达西渗流定律。 由达西定律 仇：一缸丝：v ，：一b 塑( 4 3 ) c 洲 连续条件 塑+ 塑：o ( 4 - 4 ) o x 砂 得二维各向异性土稳定渗流期的连续方程 缸警+ 岛害= 。 s ， 当土各向同性时，k ，= k 。，则得渗流基本( l a p l a c e ) 方程 箕+ 罂：o ( 4 - 6 ) o x 2 8 y 2 4 3 2 2 稳定渗流期浸润线 按照渗流计算分析与控制中对l a p l a c e 方程的积分简化可得浸润线计算 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；惫+(,。+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 ) 瑶一日 兰州 一r 纠l 第四章渗流分析 单位宽度渗流量由堤身渗流量和堤基渗流量两部分组成 a = a 。+ t 。j j 糕 驴七毒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 式中符号意义如图4 - 1 。 式中q 、q d - 一总单位宽度渗流量、堤身单位宽度渗流量( m 3 i s m ) ； k 、k o 堤身、堤基渗透系数( 州s ) ； h l 、h 厂一上游、下游水位( m ) ； m 卜m 广上游、下游坡率； h 旷一下游出逸点高度( m ) 。 图4 - 1 浸润线计算示意图 本试验段工程中，h 1 = 3 8 2 m ，h 2 = 1 5 0 m ，m l = m 2 = 2 5 ，堤身土平均渗透系数 取k = 3 2 1 0 c m s ，堤基土平均渗透系数取k 0 - l 1 0 e n d s ，计算结果为 h 0 = 1 5 6 7 m ，浸润线坐标值见表4 1 。 表4 - 1 稳定渗流期浸润线计算结果 x ( m ) 0 13 58 ，81 31 51 8 72 232 34 第四章渗流分析 4 3 2 3 水位骤降时的浸润线计算 水位骤降时，堤身内浸润线位置与筑堤土的渗透数k 、水位降落速度v ，土 体的给水度“有很大关系。当k p v 一 6 0 时，浸润线为急降过程，堤身渗流自 由面保持总水头1 0 以下，己不影响堤坡稳定，因此，一般不需要进行上游坡的 水位降落稳定计算。只有在1 l o 1 3 5 时，为流土型： 当p 。 2 5 时，为管涌型；当2 5 p 。 3 5 时，为过渡型。 海河干流吹填土不均匀系数c 。= 9 2 2 0 9 ，p 。= 4 4 - - 6 2 ，渗透变形类型应为 流土型。 4 3 3 2 吹填土允许渗流比降确定 流土型土的临界渗透比降按以下公式确定： ，。，= ( g 。一1 x 1 一n ) ( 4 1 8 ) 式中，j 。厂一土的临界渗透比降； g s _ 一土的颗粒密度与水的密度之比； n 土的孔隙率( ) 。 土的允许比降以土的临界比降除以1 5 2 0 的安全系数确定。本工程中吹填 土性质复杂，取安全系数2 0 ，确定吹填土的允许渗透比降值为0 6 。 4 3 3 3 背水坡渗流出口比降计算 下游渗流出口的比降，其精确计算极为复杂，按照渗流计算分析与控制 中的近似假定，简化计算示意如图4 3 ，计算公式如下： 第四章渗流分析 沿渗出段a b ，= 志” 沿浸没坡b c 沿浸没堤基面c d 图4 - 3 渗流出口比降计算示意图 几瓦黼 ( 4 1 9 ) ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) 1 2 志( 4 - 2 2 ) 经计算得，j a = 0 1 8 ，j b = 0 2 3 ，j c = o 2 8 。堤防背水坡渗透稳定满足安全要求。 4 4 渗流有限元分析 4 4 1 渗流分析有限元法原理及计算公式 有限元法是按照变分原理，求泛函积分找其函数值，即把微分方程及其边界 条件转变为一个泛函极值的问题。有限元法的计算步骤如下： ( 1 ) 将概化的偏微分方程的定解问题化为相应的变分问题。 ( 2 ) 离散化：将求解域划分为具有一定几何形状的单元，进行单元编号， 并确定插值函数，对节点进行总体编号和单元上的局部编号。 第四章渗流分析 ( 3 ) 单元分析：以单元节点水头函数值的插值函数来逼近变分泛函方程中 的水头函数，得出单元上以节点水头值为未知量的代数方程组，从而导出单元渗 流矩阵。 ( 4 ) 总体渗流矩阵合成：由单元渗透矩阵合成总体渗透矩阵，并以定解条 件代入，从而得出整个求解区域上的总体有限元方程。该合成过程由节点局部编 号与总体编号的关系来确定。 ( 5 ) 求解线性代数方程组，求解各节点的未知水头值。 ( 6 ) 结果分析及其他相应所需物理量的计算。 二维渗流有限元基本方程为 k m + 圳詈 = q ) ( 4 2 s ) 式中，k 渗透系数矩阵； 日 总水头向量； i ml 单元储水量矩阵； 9 卜一流量向量； 鳜降匮磬w r 巧p 悱 三黝 式中为各向异性透水的最大渗透系数方向角。 节点水头求单元内任意点水头为： 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