0 引 言

我国的水库大坝、江河大堤大部分为土坝、土堤，如果这些工程坝体的变形稳定和渗流稳定得不到保证，将影响水利枢纽的安全运行^[1]。

目前，土坝边坡稳定的分析方法主要有传统的极限平衡方法和数值分析方法^[2-4]。极限平衡法是较早应用的一种边坡稳定分析的方法，该方法以摩尔-库伦强度准则为基础，根据条分边坡体后的垂直力的平衡方程，求解安全系数，分析边坡稳定性^[5]。数值分析法是近年来应用较多的计算边坡稳定的方法，数值方法能很好地考虑土体中应力与应变的关系。1975年, ZIENKIEWICZ O C首先将抗剪强度折减系数的概念应用于弹塑性有限元稳定数值分析中，经过算例证明，运用此种方法做出的强度储备安全系数和极限平衡法的毕肖普法求得的稳定安全系数相吻合^[6-9]。

本研究依据有限元的强度折减法的基本原理，针对渠河河堤跨河大桥桩基施工对河堤安全的影响进行计算分析，对坝体加固方案和桩基施工提出合理的建议。

1 数值方法基本原理

有限元强度折减法数值分析的原理是将材料的强度参数粘聚力和内摩擦角均除以折减系数，得到新的强度参数，将新的强度参数赋给数学模型后，试算此时模型的稳定性^[10-11]。不断增大折减系数来降低边坡土体的强度参数，反复运算，直至边坡破坏，此时的折减系数就是相应的边坡稳定安全系数。有限元强度折减法优于极限平衡法之处是不需要事先假定滑动面的位置及形状且无需进行条分即可得到坝体的应力、塑性区及变形趋势^[12]，在有限元计算之后，还可以通过塑性区找到滑动破坏面等^[13]。

在边坡稳定分析中，通常采用摩尔-库伦强度准则^[14]。对于坝体失稳的判断依据^[15-17]，工程界目前还没有统一的标准。目前常用的三种判据分别为：(1) 以塑性区(或者等效塑性应变)从坡脚到坡顶贯通作为边坡失稳的判据；(2) 以有限元迭代求解过程的不收敛作为边坡失稳的判据；(3) 以坡体内部特征部位位移突变作为边坡失稳的判据。当数值计算中坡体失稳时, 一般会有一定幅值的塑性区贯通整个坝坡，但塑性区贯穿坝坡并不能决定此时的坝坡已经发生失稳破坏^[18-19]。有限元解出现不收敛通常会在使用有限元强度折减法分析边坡稳定性时被视作破坏的标准^[20]。

在本次工程实例的计算分析中，采用有限元迭代求解过程的不收敛作为边坡失稳的判据。本研究采用岩土工程有限元计算程序PLAXIS进行模拟计算。PLAXIS程序是由荷兰PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能强大的通用岩土有限元计算软件，现在已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中，程序适应性强，能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适合于变形和稳定分析。

2 工程应用 2.1 工程概况

渠河位于四川省遂宁市境内，全长26.6 km，主要为引水渠。在渠河上拟建一座跨河大桥。大桥处渠河左岸为填方渠岸，右岸为基岩挖方渠岸。拟建渠河大桥6#墩正好位于左岸填方渠堤之上。据调查，该处渠堤坝型为均质土坝，填筑料为均质黏土，坝后坡脚设有排水棱体。渠河大桥处渠堤计算断面及常水位如图 1所示。

根据设计，6#墩桩基建造在渠河的左岸坝体之上，桩外径距离迎水面堤顶最近距离约3 m左右。根据桩基施工要求，坝顶路面需加宽到6 m。坝体加宽后，对桥墩桩基进行施工。坝体培土加宽和桩基钻孔取土的施工，均可能对坝体土体稳定性造成影响。根据上述情况，主要进行以下研究：

(1) 对坝体加宽后坝体稳定性进行分析，以确定坝体安全加宽的最佳方案；

(2) 对桩基础施工过程中坝体渗透稳定和边坡结构稳定进行分析，以便对桩基施工方案的确定提供指导意见。

2.2 几何模型及有限元剖分

根据勘察、设计单位提供的资料，坝基基底为中风化的砂质泥岩，可以看作是不透水边界，渠河底部岩层层位较高，也作为不透水边界处理。坡体底边固定约束，左右两边水平约束，其他为自由边界。坝后坡设置排水棱体，坝体渗水通过排水棱体排向小河沟。初步拟定坝体后坡培土加宽坡度为1.00:2.12。为便于计算建模，对原断面图按照渗流等效与应力等效^[21]的原则进行了概化，构建二维平面应变有限元计算模型，坝体模型几何图形如图 2所示。

建立模型后，生成有限元模型网格。网格生成过程以可靠三角剖分原理为基础，通过搜索最优三角形单元，生成一个非结构性的网格。模型共剖分189个15节点有限元网格单元，共计1 615个节点，稳定计算坝体有限元模型网格剖分如图 3所示。

2.3 模型参数

模型材料分为坝体填土区、排水棱体、排水棱体和河沟之间地层区域以及坝后坡加宽区。计算所需各层土体力学参数主要根据地勘资料确定，资料中没有提供的根据经验数据确定, 见表 1。根据本工程实际情况，并结合国内类似土石坝工程培土增厚坝体的经验，坝后坡加宽材料初步采用砂卵石或泥岩石渣等透水材料。

2.4 计算工况及计算结果 2.4.1 不同坡比稳定性分析

根据初步设计，坝后坡加宽坡度为1.00:2.12。首先计算设计水位情况下坝体渗流场分布，将其作为边界条件施加到坝体单元中，计算在渗流作用下坝体的应力应变，然后用强度折减法对坝坡进行稳定分析，得到加宽坡度为1.00:2.12坝坡的最小稳定安全系数。计算过程中坝体渗流场分布如图 4所示，坝体稳定分析的塑性应变场分布如图 5所示。

根据数值模拟计算结果，在有渗流作用下，坝后坡加宽坡度为1.00:2.12时坝体稳定安全系数为1.090。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)要求，对于4、5级土石坝，正常运行条件下，坝体稳定安全系数为1.150。由此可知，坝坡坡度为1.00:2.12时，坝体稳定安全系数达不到规范要求。

调整后坝坡坡度为1.00:3.00，采用砂卵石材料，重新计算得到放坡后坝体最小稳定安全系数为1.179，坝体将达到稳定状态，同时方案设计较为经济。因此建议坝体加宽采用1.00:3.00的放坡坡度。

2.4.2 桩孔开挖过程中坝体稳定性和桩孔渗流稳定性分析

桩孔开挖采用旋转开挖法，桩孔开挖直径1 m。若孔内不用支护，开挖会造成孔位土体应力卸载^[22]，从而引起坝体应力应变重新分布^[23]；同时，桩孔开挖后，相当于在坝后坡设置一个大型排水井，同时对坝体渗流场也有所改变。

桩孔开挖至8 m时坝体渗流场分布及塑性区分布结果如图 6、7所示。

分析桩孔开挖过程的数值计算结果可知：桩孔部位如不采取止水及加固措施，渗流就会汇集到孔中，同时在孔壁形成较大的渗透坡降^[24]，且开挖过程中孔壁最大渗透坡降为0.63~1.00，接近黏性土的临界水力坡降1.00，有发生流土破坏的可能。

根据塑性区分布图(图 7)可以看出，桩孔开挖过程中，孔壁附近发生塑性变形，容易引起孔壁坍塌等破坏^[25-26]。

坝体稳定性分析表明，孔口开挖过程中，边坡稳定安全系数均大于1.150，坝坡稳定性可以得到保证。

2.4.3 坝顶作用有施工荷载情况下坝坡稳定性分析

在坝坡按照1.00:3.00的坡比加宽后，在原坝顶位置施加施工分布荷载，模拟坝体稳定性。

数值模拟结果表明，当施工分布荷载分别为5、10、15、20、25、30、35 kN/m²时，坝体稳定安全系数分别为1.096、1.086、1.081、1.075、1.069、1.063、1.056。随着荷载的增大，坝体稳定安全系数逐渐变小，坝坡失稳的危险性增大，需对施工荷载进行合理控制。

3 结 语

采用有限元强度折减法计算分析边坡稳定性，相对于传统的极限平衡法求解过程简单，计算结果可以满足工程应用要求。通过对渠河河堤跨河大桥桩基工程边坡进行稳定性分析，确定了合理的加宽后的坝坡坡度为1.00:3.00，该坝坡坡度能够满足对坝体稳定性的要求且经济实用；通过对桩基础施工过程桩孔的渗透稳定性的分析，指出桩孔开挖过程中，桩孔孔壁存在渗透破坏的隐患，需采取防护措施；施工过程中坝顶分布荷载也是影响坝坡稳定性的关键因素，需要进行合理控制。研究结果为渠河河堤跨河大桥桩基工程河堤加固和施工设计提供了参考，该研究方法也可为同类工程提供借鉴。