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1、洪澤湖大堤周橋大塘月堤倒塌原因分析及加固方案初探關鍵詞：大堤直立石工墻倒塌原因 加固方案摘要：洪澤湖大堤位于洪澤湖的東岸，是里下河地區2000萬人民和3000萬畝農田安全的屏障。2005年8越7日周橋大塘越堤石工墻倒塌。原因是排水不暢，雨水下滲，導致土體抗剪強度下降；地下水位變化，引起土體有效應力增大，引起不均勻沉陷；塘內填土在石工墻表面引起的負摩擦力；機動車輛在堤頂形成的脈沖荷載，導致土體強度降低等綜合原因導致石工墻倒塌。中圖分類號：tu751+.5文獻標識碼：a 文章編號：1.大塘的成因、工程概況洪澤湖大堤位于洪澤湖的東岸，是里下河地區2000萬人民和3000萬畝農田安全的屏障。公元1822、4年農歷11月12日，因冰凌和和暴風，周橋息浪港大堤決口，沖成近27米深的大塘。公元1830年，開始筑長734米,寬23m的內堤，將大塘圍住，并用條石砌成外堤，以保障大堤的安全。內外堤工程歷經6年竣工。1950年，為根除隱患，政府特撥專款，并組織千余民工，將大堤舊石堤拆除，新砌石工墻于塘四周。1976年冬至1979年春，經過三個冬春的艱苦努力，取土861000方，將大塘從塘底高程-16.00m回填至高程8.0010.00m。2.事件經過2005年8月7日，江蘇省洪澤縣東雙溝段陡降暴雨，當一列送葬車隊剛經過該堤段的瞬間，車隊經過的堤段，石工墻轟然倒塌。倒塌的堤段長48.5m，寬度在0.52.0m3、之間。3.石工墻倒塌力學原因分析3.1石工墻的斷面形式石工墻采用俯式重力式擋土結構，內襯大青磚，外部的條石每砌筑一層，向堤身內收12cm，采用這種結構，石工墻所受的主動土壓力最小，該結構斷面形式是科學合理的。3.2石工墻后填土性質、計算參數的選定石工墻后的堤身填土為亞粘土，參照土力學中有關亞粘土的力學指標，取土的自然密度17.5kn/m3，土的=22º，c=14kn/m 2，堤頂高程19.50m，塘底高程8.010.0之間，取塘底高程9.0m，計算墻高10.5m。3.3石工墻受土壓力分析由于堤后填土不是無限遠，且堤頂基本平整，選用郎肯土壓力理論計算墻后土壓力。石工墻后受主動土壓力：f4、=1/2.(h-z0)2. ka=1/217.5(10.5-2.7)20.455=242.2kn/m；z0=2.c/(. ka1/2)=214/(17.50.591)=2.7m石工墻后被動土壓力：p=1/2.h2.kp+2.c.h. kp =1/217.510.522.198+21410.51.482=2556.1 kn/m。其中：ka=tg2(45º-/2)=0.455，ka1/2=0.674；kp = tg2(45º+/2)=2.198，kp 1/2=1.482。郎肯土壓力理論假設擋土墻背是直立、光滑和剛性的，填土延伸至無限遠，石工墻背是俯傾的，所以計算出來的土壓力應該5、和墻背平面呈90º-角度（墻背面與鉛直面的傾角）；石工墻材料是塊石，本身就是剛性材料，與郎肯土壓力假設相符；雖然石工墻后填土不是無限遠，但產生主動土壓力的楔體只是在h.tg(45º-/2）=6.21m范圍內，堤頂寬23m，可以視同填土為無窮遠。如果不考慮填土的粘結力，采用庫侖土壓力理論，石工墻所受主動土壓力為：f=1/2.h2.ka=1/217.510.520.245=236.3kn/m，被動土壓力：p=1/2.h2. kp =1/217.510.522.981=2875.9 kn/m，其中ka 為主動土壓力系數，可以通過查表獲得（=10º，=30º，=6、-10º，=0º），kp為被動土壓力系數，可以通過計算獲得。庫侖土壓力理論是不考慮土的粘結力，采用加大內摩擦角的辦法來修正粘結力的影響。通過計算，我們發現兩種理論計算的結果是接近的。由于石工墻向塘內倒塌（背離土體方向），可以斷定石工墻的破壞形態為主動土壓力破壞（土體將石工墻推倒），被動土壓力（石工墻推向土體）對石工墻的破壞不起作用。3.4石工墻的滑動驗算石工墻上受的滑動力主要有主動土壓力f的水平推力fh，阻滑的力主要由石工墻的自重g部分與土體摩擦產生的阻滑力。ks=(g-fv)/fh= g-fcos(-)./f.sin(-)=10.5(1+3)0.525-242.2cos(7、80º-10º)0.7/242.2sin(80º-10º)=1.20其中為石工墻表面摩擦系數在0.65-0.75之間，取0.7；為石工墻的與土體接觸的頂端角80º；墻體材料比重25kn/m3。計算中沒有考慮石工墻的空間作用（大塘石工墻為弧形，受壓時如同兩鉸拱或固端拱受力），沒有考慮石工墻側面摩擦力對抗滑動的有利影響，只是取任一段脫離體考慮。根據建筑地基基礎設計規范，應滿足ks1.3，如果考慮石工墻的整體拱、側向摩擦力以及地基土體的粘結力的作用，石工墻的穩定能夠滿足要求。3.5石工墻的抗傾覆石工墻的傾覆力矩主要主動土壓力產生，抗傾覆力矩主要由石工8、墻自重產生，分別對墻趾求矩：kt =(g.x0- fv.x1)/ fh.z=10.5225=210.5251.92-242.2cos70（10.5-2.7）1/3/ 242.2sin70º（10.5-2.7）1/3=1.34根據建筑地基基礎設計規范，應滿足kt1.5，本計算的模型是趨于保守的，如果考慮石工墻的整體拱、側向摩擦力作用，石工墻的傾覆穩定性能夠滿足要求。4.石工墻倒塌原因分析石工墻通過計算可知，穩定性基本能夠滿足要求，倒塌的原因值得思索。筆者通過多次實地勘察，認為月堤倒塌的原因有如下方面：4.1排水不暢，雨水下滲，導致土體抗剪強度下降該段堤頂為鄉村土路，堤頂無排水明溝，夏季9、干旱時，路面龜裂，加之車輛雨天行走留下的坑塘，路面極為崎嶇不平。2005年8月初洪澤地區干旱，8月7日陡降暴雨，堤頂由于沒有排水設施，加之堤頂路面沒有科學的排水坡度，大量的雨水滯留在布滿干縮裂縫坑塘里，雨水順著這些裂縫下滲，導致土體內的孔隙水壓力增加，土體有效應力減小，抗剪強度下降。其次由于排水不暢，雨水下滲，導致墻后無形中增加附加的水壓力。4.2地下水位變化，引起土體有效應力增大，引起不均勻沉陷周橋大塘一直作為養殖魚蝦的水塘，自2002年后，改作農田，塘內水位從11.50左右降至9.00以下，毫無疑問地下水位跟著發生變化。雖然石工墻下地基荷載沒有變化，但是地下水位的下降，導致地基中的有效應力10、增加，也勢必引起地基壓縮變形。當附加沉陷量不一致時，導致堤身土體剪切變形過大，最終破壞。4.3塘內填土在石工墻表面引起的負摩擦力從工程概況中我們可以知道，大塘是從塘底高程-16.00m回填至高程8.0010.00m，回填高度達2425m之多。在土力學中，這些回填土屬于欠固結土，它們在自然狀態下需要上萬年才能沉降穩定。這些回填土在固結過程中，必然在石工墻的表面形成一個下拉的摩擦力（拖曳力），這個摩擦力相當于樁基礎打在欠固結土體上，樁表面形成的負摩擦力。4.4機動車輛在堤頂形成的脈沖荷載，導致土體強度降低眾所周知，砂土在脈沖荷載作用下，會發生液化現象，導致土體強度盡失，粘性土在脈動荷載的作用下，土11、體的強度也會發生變化，土體的強度會慢慢降低。根據有關試驗，脈沖荷載產生的應力只有土體正常強度的60%，但作用的次數達到900次，粘性土也會破壞。這段堤防連接洪澤縣雙溝鎮村與村之間的交通，雖不是交通干道，但所受各類大、中型車輛脈沖荷載次數，遠遠超過900次。4.5堤后土體破壞過程模擬因為直立石墻是俯臥的，所以在正常情況下，土體承受石墻自重產生的壓力（被動土壓力）。當土體受到上述因素影響時，土體受力模型改變，土體承受主動土壓力（土體克服石工墻產生的被動土壓力，土體推向石工墻）。當土體承受的主動土壓力超過土體強度時，土體破壞，石工墻傾倒。單元體破壞過程模擬示意圖如下：5.加固方案初探周橋大塘石工墻倒12、塌后，管理單位非常重視，立即對倒塌區域采取了隔離保護措施，禁止行人和車輛進入該區域，并對一些裂縫區域覆蓋防雨布，防止雨水下浸。根據周橋大塘石工墻倒塌的原因，筆者以為可以采取以下兩種加固方案：5.1土工織物與加筋土土體破壞的原因是因為剪切破壞，所以可以考慮在修復該堤段時，人為的加大土的抗剪強度，可以在石工墻后的回填土中加入土工織物，目前加筋土工織物的抗拉強度可達到1000kn/m。只要在主動土壓力區配置合適的土工織物、錨桿，并有一定的錨固長度，通過計算就能夠滿足土體的抗剪要求。其運用見左側圖4所示。5.2石工墻后加做鋼筋混凝土擋土墻由于周橋大塘直立石工墻，反映了人類治水的一段歷史，被當地旅游局開發成為一處旅游景點，所以最好能夠保持石工墻的原貌。該方案在石工墻后加做鋼筋混凝土擋土墻以承受土體傳過來的主動土壓力，擋土墻后適當位置增做排水體。在堤頂設置欄桿，以防止車輛過分靠近堤肩，造成堤防塌滑。6.結束語周橋大塘石工墻倒塌后，江蘇省水利廳很重視，最終的維修方案尚未確定，筆者提一些可能方案以資參考。參考文獻：江蘇水利工程專科學校編土力學與基礎工程學、河海大學、北京水利電力函授學院、華北水利水電學院編土力學與地基基礎注：文章內所有公式及圖表請用pdf形式查看。