1、洪泽湖大堤周桥大塘月堤倒塌原因分析及加固方案初探关键词：大堤直立石工墙倒塌原因 加固方案摘要：洪泽湖大堤位于洪泽湖的东岸，是里下河地区2000万人民和3000万亩农田安全的屏障。2005年8越7日周桥大塘越堤石工墙倒塌。原因是排水不畅，雨水下渗，导致土体抗剪强度下降；地下水位变化，引起土体有效应力增大，引起不均匀沉陷；塘内填土在石工墙表面引起的负摩擦力；机动车辆在堤顶形成的脉冲荷载，导致土体强度降低等综合原因导致石工墙倒塌。中图分类号：tu751+.5文献标识码：a 文章编号：1.大塘的成因、工程概况洪泽湖大堤位于洪泽湖的东岸，是里下河地区2000万人民和3000万亩农田安全的屏障。公元1822、4年农历11月12日，因冰凌和和暴风，周桥息浪港大堤决口，冲成近27米深的大塘。公元1830年，开始筑长734米,宽23m的内堤，将大塘围住，并用条石砌成外堤，以保障大堤的安全。内外堤工程历经6年竣工。1950年，为根除隐患，政府特拨专款，并组织千余民工，将大堤旧石堤拆除，新砌石工墙于塘四周。1976年冬至1979年春，经过三个冬春的艰苦努力，取土861000方，将大塘从塘底高程-16.00m回填至高程8.0010.00m。2.事件经过2005年8月7日，江苏省洪泽县东双沟段陡降暴雨，当一列送葬车队刚经过该堤段的瞬间，车队经过的堤段，石工墙轰然倒塌。倒塌的堤段长48.5m，宽度在0.52.0m3、之间。3.石工墙倒塌力学原因分析3.1石工墙的断面形式石工墙采用俯式重力式挡土结构，内衬大青砖，外部的条石每砌筑一层，向堤身内收12cm，采用这种结构，石工墙所受的主动土压力最小，该结构断面形式是科学合理的。3.2石工墙后填土性质、计算参数的选定石工墙后的堤身填土为亚粘土，参照土力学中有关亚粘土的力学指标，取土的自然密度17.5kn/m3，土的=22º，c=14kn/m 2，堤顶高程19.50m，塘底高程8.010.0之间，取塘底高程9.0m，计算墙高10.5m。3.3石工墙受土压力分析由于堤后填土不是无限远，且堤顶基本平整，选用郎肯土压力理论计算墙后土压力。石工墙后受主动土压力：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石工墙后被动土压力：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。郎肯土压力理论假设挡土墙背是直立、光滑和刚性的，填土延伸至无限远，石工墙背是俯倾的，所以计算出来的土压力应该5、和墙背平面呈90º-角度（墙背面与铅直面的倾角）；石工墙材料是块石，本身就是刚性材料，与郎肯土压力假设相符；虽然石工墙后填土不是无限远，但产生主动土压力的楔体只是在h.tg(45º-/2）=6.21m范围内，堤顶宽23m，可以视同填土为无穷远。如果不考虑填土的粘结力，采用库仑土压力理论，石工墙所受主动土压力为：f=1/2.h2.ka=1/217.510.520.245=236.3kn/m，被动土压力：p=1/2.h2. kp =1/217.510.522.981=2875.9 kn/m，其中ka 为主动土压力系数，可以通过查表获得（=10º，=30º，=6、-10º，=0º），kp为被动土压力系数，可以通过计算获得。库仑土压力理论是不考虑土的粘结力，采用加大内摩擦角的办法来修正粘结力的影响。通过计算，我们发现两种理论计算的结果是接近的。由于石工墙向塘内倒塌（背离土体方向），可以断定石工墙的破坏形态为主动土压力破坏（土体将石工墙推倒），被动土压力（石工墙推向土体）对石工墙的破坏不起作用。3.4石工墙的滑动验算石工墙上受的滑动力主要有主动土压力f的水平推力fh，阻滑的力主要由石工墙的自重g部分与土体摩擦产生的阻滑力。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其中为石工墙表面摩擦系数在0.65-0.75之间，取0.7；为石工墙的与土体接触的顶端角80º；墙体材料比重25kn/m3。计算中没有考虑石工墙的空间作用（大塘石工墙为弧形，受压时如同两铰拱或固端拱受力），没有考虑石工墙侧面摩擦力对抗滑动的有利影响，只是取任一段脱离体考虑。根据建筑地基基础设计规范，应满足ks1.3，如果考虑石工墙的整体拱、侧向摩擦力以及地基土体的粘结力的作用，石工墙的稳定能够满足要求。3.5石工墙的抗倾覆石工墙的倾覆力矩主要主动土压力产生，抗倾覆力矩主要由石工8、墙自重产生，分别对墙趾求矩：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根据建筑地基基础设计规范，应满足kt1.5，本计算的模型是趋于保守的，如果考虑石工墙的整体拱、侧向摩擦力作用，石工墙的倾覆稳定性能够满足要求。4.石工墙倒塌原因分析石工墙通过计算可知，稳定性基本能够满足要求，倒塌的原因值得思索。笔者通过多次实地勘察，认为月堤倒塌的原因有如下方面：4.1排水不畅，雨水下渗，导致土体抗剪强度下降该段堤顶为乡村土路，堤顶无排水明沟，夏季9、干旱时，路面龟裂，加之车辆雨天行走留下的坑塘，路面极为崎岖不平。2005年8月初洪泽地区干旱，8月7日陡降暴雨，堤顶由于没有排水设施，加之堤顶路面没有科学的排水坡度，大量的雨水滞留在布满干缩裂缝坑塘里，雨水顺着这些裂缝下渗，导致土体内的孔隙水压力增加，土体有效应力减小，抗剪强度下降。其次由于排水不畅，雨水下渗，导致墙后无形中增加附加的水压力。4.2地下水位变化，引起土体有效应力增大，引起不均匀沉陷周桥大塘一直作为养殖鱼虾的水塘，自2002年后，改作农田，塘内水位从11.50左右降至9.00以下，毫无疑问地下水位跟着发生变化。虽然石工墙下地基荷载没有变化，但是地下水位的下降，导致地基中的有效应力10、增加，也势必引起地基压缩变形。当附加沉陷量不一致时，导致堤身土体剪切变形过大，最终破坏。4.3塘内填土在石工墙表面引起的负摩擦力从工程概况中我们可以知道，大塘是从塘底高程-16.00m回填至高程8.0010.00m，回填高度达2425m之多。在土力学中，这些回填土属于欠固结土，它们在自然状态下需要上万年才能沉降稳定。这些回填土在固结过程中，必然在石工墙的表面形成一个下拉的摩擦力（拖曳力），这个摩擦力相当于桩基础打在欠固结土体上，桩表面形成的负摩擦力。4.4机动车辆在堤顶形成的脉冲荷载，导致土体强度降低众所周知，砂土在脉冲荷载作用下，会发生液化现象，导致土体强度尽失，粘性土在脉动荷载的作用下，土11、体的强度也会发生变化，土体的强度会慢慢降低。根据有关试验，脉冲荷载产生的应力只有土体正常强度的60%，但作用的次数达到900次，粘性土也会破坏。这段堤防连接洪泽县双沟镇村与村之间的交通，虽不是交通干道，但所受各类大、中型车辆脉冲荷载次数，远远超过900次。4.5堤后土体破坏过程模拟因为直立石墙是俯卧的，所以在正常情况下，土体承受石墙自重产生的压力（被动土压力）。当土体受到上述因素影响时，土体受力模型改变，土体承受主动土压力（土体克服石工墙产生的被动土压力，土体推向石工墙）。当土体承受的主动土压力超过土体强度时，土体破坏，石工墙倾倒。单元体破坏过程模拟示意图如下：5.加固方案初探周桥大塘石工墙倒12、塌后，管理单位非常重视，立即对倒塌区域采取了隔离保护措施，禁止行人和车辆进入该区域，并对一些裂缝区域覆盖防雨布，防止雨水下浸。根据周桥大塘石工墙倒塌的原因，笔者以为可以采取以下两种加固方案：5.1土工织物与加筋土土体破坏的原因是因为剪切破坏，所以可以考虑在修复该堤段时，人为的加大土的抗剪强度，可以在石工墙后的回填土中加入土工织物，目前加筋土工织物的抗拉强度可达到1000kn/m。只要在主动土压力区配置合适的土工织物、锚杆，并有一定的锚固长度，通过计算就能够满足土体的抗剪要求。其运用见左侧图4所示。5.2石工墙后加做钢筋混凝土挡土墙由于周桥大塘直立石工墙，反映了人类治水的一段历史，被当地旅游局开发成为一处旅游景点，所以最好能够保持石工墙的原貌。该方案在石工墙后加做钢筋混凝土挡土墙以承受土体传过来的主动土压力，挡土墙后适当位置增做排水体。在堤顶设置栏杆，以防止车辆过分靠近堤肩，造成堤防塌滑。6.结束语周桥大塘石工墙倒塌后，江苏省水利厅很重视，最终的维修方案尚未确定，笔者提一些可能方案以资参考。参考文献：江苏水利工程专科学校编土力学与基础工程学、河海大学、北京水利电力函授学院、华北水利水电学院编土力学与地基基础注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。