遼西北地區(qū)蜂格護(hù)坡堤防加固措施研究

于金源

(遼寧省河庫(kù)管理服務(wù)中心(省水文局)，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

遼寧省內(nèi)堤防有5級(jí)以上堤防11879km，其中大部分建成時(shí)間大于20年，最近一次河道堤防整治為2006年竣工的繞陽(yáng)河河道整治工程，距今已有14年。由于早期建設(shè)的河道堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)低，且在多年運(yùn)行過(guò)程中養(yǎng)護(hù)不足，因此存在不同程度的堤身裂縫破損、斷面或堤頂高程不足、防滲能力較差等問(wèn)題，對(duì)堤防的安全運(yùn)行帶來(lái)了隱患[1]。目前遼寧地區(qū)主要采用鋪設(shè)干(漿)砌石或混凝土面板等傳統(tǒng)方式進(jìn)行加固，以上方式雖然提高了堤防穩(wěn)定性，但由于改變了原生地貌，對(duì)河道周邊的生態(tài)環(huán)境造成了不良影響。近年來(lái)各類(lèi)生態(tài)護(hù)坡形式逐漸興起，這類(lèi)護(hù)坡在加固堤防提升其穩(wěn)定性的同時(shí)兼顧生態(tài)效益，逐漸得到了廣泛應(yīng)用。其中，蜂格護(hù)坡作為生態(tài)護(hù)坡中的典型代表，通過(guò)柔性材料及結(jié)構(gòu)與原有的土體、植被連接為統(tǒng)一的整體，與堤防加高培厚等工程措施的結(jié)合，可以有效提高堤防的抗滑穩(wěn)定性，被水利部列入2019年水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣應(yīng)用名單。

文章以小凌河(老虎溝—六家子段)防洪治理工程為例，利用有限元分析方法，采用控制變量法對(duì)優(yōu)化坡比、加高、培厚、蜂格護(hù)坡等加固措施對(duì)堤防的穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析，以期為遼寧西北地區(qū)的堤防加固提供借鑒。

1 計(jì)算原理與方法

1.1 計(jì)算原理

目前水工設(shè)計(jì)計(jì)算中，多采用Mohr-Coulomb定理，該定理能夠較為貼合實(shí)際地體現(xiàn)土的力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)，因其參數(shù)簡(jiǎn)明且獲取難度小被廣泛應(yīng)用于土力學(xué)計(jì)算：

τ-(σ×tanφ+c)≤0

(1)

Mohr-Coulomb定理較好體現(xiàn)了土體第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的作用結(jié)果，但對(duì)第二主應(yīng)力對(duì)土體的作用情況表現(xiàn)地并不充分?；诖?，Drucker和Prager對(duì)Mohr-Coulomb定理進(jìn)行了修正，提出了Drucker-Prager準(zhǔn)則，即

(2)

修正后的準(zhǔn)則計(jì)入了第二主應(yīng)力的影響，使結(jié)果更加貼合實(shí)際，且更適用于堤防實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在河流靜水壓力的工況[2]，因此本文選取Drucker-Prager準(zhǔn)則采用ANSYS有限元軟件對(duì)小凌河(老虎溝—六家子段)防洪治理工程進(jìn)行模擬計(jì)算。

1.2 有限元模型構(gòu)建

選用ANSYS12.0平面單元PLANE42單元對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬[3]?；炯僭O(shè)如下：

(1)各項(xiàng)材料的彈性力學(xué)指標(biāo)均為常數(shù)，且各向同性。

(2)各項(xiàng)材料均為理想彈塑性體。

(3)地基底面為水平和豎直均有限。

(4)地基兩側(cè)水平方向有限，豎直方向無(wú)限。

1.3 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算

采用瑞典圓弧法對(duì)堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行分析，各項(xiàng)參數(shù)通過(guò)土工試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)勘探及查閱資料獲得。堤防抗滑穩(wěn)定性計(jì)算在施工期、水位降落期、穩(wěn)定滲流期略有不同，文章僅針對(duì)穩(wěn)定滲流期進(jìn)行計(jì)算[4]。

(3)

式中，b—條塊寬度，m；W—條塊重力，W=W1+W2γWZb，kN；W1—在堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2—在堤坡外水位以下的條塊重力，kN；Z—堤坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離，m；u—穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa；β—條塊的重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，(°)；γW—水的重度，kN/m3；c′—土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，kN/m3；φ′—有效內(nèi)摩擦角，(°)。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

小凌河(老虎溝—六家子段)防洪治理工程治理范圍是元寶山水庫(kù)溢洪道下游至老陸家村段，總長(zhǎng)6.138km，項(xiàng)目區(qū)老陸家村斷面以上流域面積為282km2，河道平均比降為6.12‰，左岸Z0-055.0—Z3+005.0為六家子鎮(zhèn)段，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，堤防工程級(jí)別為4級(jí)[5]，堤防堤身高4.0m，堤頂寬約3m，各項(xiàng)材料特性見(jiàn)表1。治理段現(xiàn)有堤防局部不滿(mǎn)足防洪標(biāo)準(zhǔn)，且護(hù)腳沖刷嚴(yán)重，大部分已經(jīng)裸露在外，已無(wú)法起到防護(hù)作用，且原有防護(hù)措施未充分考慮生態(tài)效益，現(xiàn)狀局部段無(wú)法滿(mǎn)足該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，因此選取該段進(jìn)行防護(hù)工程加固措施分析。

表1 擬分析堤防段各項(xiàng)材料參數(shù)

2.2 各項(xiàng)措施安全性分析

2.2.1擬分析堤防現(xiàn)狀

根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，4級(jí)堤防工程正常運(yùn)用情況下安全系數(shù)最小為1.15。堤防擬采取的加固措施為坡比優(yōu)化、加高、培厚、設(shè)置蜂格護(hù)坡[7-9]，采用控制變量法對(duì)各加固措施逐一進(jìn)行分析。

2.2.2坡比對(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

擬分析堤防初始斷面坡比為1∶3，令堤防高度不變，改變坡比進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同坡比的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

從圖1可以得出，堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與坡比成負(fù)相關(guān)，在坡比接近1∶1時(shí)達(dá)到抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)下限，此時(shí)堤防斷面面積最小，與初始斷面相比減少2/3，經(jīng)濟(jì)效益最好。

2.2.3堤防高度對(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

令堤防坡比和底寬度不變，自現(xiàn)有堤頂對(duì)堤防進(jìn)行加高?，F(xiàn)有堤頂寬度為3m，堤防坡比為1∶3，加高最高高度為1m，以0.08m為間隔單位進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同加高高度的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

由圖2得出，因變量安全系數(shù)與自變量變化方向相反，當(dāng)?shù)谭兰痈?m時(shí)，堤防整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低24%，堤防高度的變化對(duì)安全系數(shù)的影響較明顯。

2.2.4培厚厚度對(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

令堤防坡比和高度不變，自現(xiàn)有堤防后坡進(jìn)行培厚，對(duì)不同培厚厚度下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。考慮征地及生態(tài)保護(hù)因素，培厚厚度上限取2m。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可得，隨著堤防后坡厚度增大，在達(dá)到上限2m時(shí)，其提升幅度為1.34%，對(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小。

圖3 不同培厚厚度的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

2.2.5蜂格護(hù)坡對(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

(1)護(hù)坡厚度的確定

蜂格護(hù)坡厚度計(jì)算目前尚無(wú)規(guī)范，根據(jù)廠家提供的推薦計(jì)算方法結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定[10]：

當(dāng)tanα≥1/3時(shí)，

(4)

當(dāng)tanα<1/3時(shí)，

(5)

式中，h—設(shè)計(jì)波浪爬高，m；θ—河岸傾角，(°)；n—雷諾護(hù)墊填石孔隙率，%；Δm—水下材料的相對(duì)單位重度，Δm=(rs-rw)/rw。

通過(guò)計(jì)算，得出蜂格護(hù)坡推薦厚度為16cm。

(2)蜂格護(hù)坡不同設(shè)置方式對(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

結(jié)合構(gòu)造要求及當(dāng)?shù)匦枨蟮惹闆r綜合考慮，該項(xiàng)目采取單層蜂格護(hù)坡。令堤防坡比和高度不變，對(duì)蜂格護(hù)坡水平分層設(shè)置、貼坡設(shè)置，如圖4—5所示，及不設(shè)置3種方式下的抗滑穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行Ansys有限元模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 蜂格護(hù)坡不同設(shè)置方式工況下的堤防整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖4 蜂格護(hù)坡水平分層設(shè)置方式

圖5 蜂格護(hù)坡貼坡設(shè)置方式

由表2可知，水平分層與貼坡設(shè)置蜂格護(hù)坡工況下的堤防抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別提高了36.4%和18.2%，蜂格護(hù)坡的設(shè)置顯著提升了堤防的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)遼寧西北地區(qū)堤防存在的安全隱患問(wèn)題，采用有限元分析方法，對(duì)優(yōu)化坡比、加高、培厚、設(shè)置蜂格護(hù)坡等加固方式對(duì)堤防整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)的影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

(1)堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與坡比成負(fù)相關(guān)，在坡比接近1∶1時(shí)達(dá)到抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)下限，此時(shí)堤防斷面面積最小，與初始斷面相比減少2/3，經(jīng)濟(jì)效益最好。

(2)堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與堤防高度變化方向相反，且影響較為明顯。

(3)堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與堤防后坡厚度變化方向相同，但影響較小。

(4)蜂格護(hù)坡對(duì)堤防抗滑穩(wěn)定系數(shù)具有顯著的提升作用，水平分層設(shè)置優(yōu)于貼坡設(shè)施。