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    基于不同護(hù)坡形式的洞庭湖堤岸穩(wěn)定性對(duì)比分析

    2022-07-14 08:11:04何懷光陳星佑潘雨齊
    湖南水利水電 2022年2期
    關(guān)鍵詞:駁岸洞庭湖砌塊

    何懷光,陳星佑,潘雨齊,周 雙,張 聰

    (1.湖南省水利水電科學(xué)研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410007;2.中南林業(yè)科技大學(xué),湖南 長(zhǎng)沙 410004)

    引 言

    水域堤岸長(zhǎng)期受到水流沖刷、波浪侵蝕等影響極易發(fā)生崩塌、水土流失等災(zāi)害,為此,工程上一般對(duì)堤岸進(jìn)行護(hù)坡防護(hù)來提高其穩(wěn)定性,常見的堤岸護(hù)坡方法主要有混凝土砌塊、混凝土板、砌石、網(wǎng)狀物、綠色駁岸砌塊等[1~3]。其中,綠色駁岸砌塊因具有良好的生態(tài)效應(yīng)、優(yōu)美的建筑外觀而被推廣應(yīng)用,但該類護(hù)坡形式較之傳統(tǒng)的護(hù)坡形式對(duì)堤防穩(wěn)定的影響仍需要進(jìn)一步探究。

    目前,國內(nèi)外許多學(xué)者圍繞堤岸護(hù)坡穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。例如,占超[4]從岸坡穩(wěn)定性的角度對(duì)沂河的堤岸土體組成進(jìn)行了穩(wěn)定性分析;郭觀明[5]對(duì)放坡的坪山河堤岸進(jìn)行穩(wěn)定性分析,計(jì)算堤岸的穩(wěn)定安全系數(shù);劉動(dòng)[6]通過莫爾-庫倫本構(gòu)模型,對(duì)鋪設(shè)拋石的堤岸進(jìn)行穩(wěn)定性分析;朱芳清[7]通過FLAC 3D軟件,對(duì)錨桿支護(hù)的邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析;邱笑[8]通過擬靜力法對(duì)砌塊護(hù)坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析;王廣瑩[9]對(duì)不同坡度的“植物樁+散粒塊石”堤岸護(hù)坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析;謝武軍[10]通過Slide軟件,對(duì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算,確定邊坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面;曾昌海[11]對(duì)框架式微型樁加固的河岸進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。綜上可知,國內(nèi)外學(xué)者在傳統(tǒng)堤岸護(hù)坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面取得了豐碩的成果,但針對(duì)綠色駁岸砌塊護(hù)坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)則相對(duì)較少,尤其是湖區(qū)水位變化較為顯著的復(fù)雜堤岸環(huán)境下如何選取合理的堤岸護(hù)坡形式仍較少。

    鑒于此,本文以洞庭湖堤岸為工程依托,基于強(qiáng)度折減法,采用COMSOL數(shù)值模擬軟件,對(duì)天然護(hù)坡、混凝土砌塊護(hù)坡、生態(tài)砌塊護(hù)坡三種不同的典型護(hù)坡形式進(jìn)行堤岸穩(wěn)定性分析,以期為洞庭湖堤岸選取最合理的護(hù)坡形式。

    1 工程背景及模型構(gòu)建

    1.1 工程背景

    洞庭湖是我國極具特色的大型淡水湖泊,兼具有緩解長(zhǎng)江中下游地區(qū)洪澇災(zāi)害、減小長(zhǎng)江干流的沖淤變遷、維系兩湖地區(qū)蓄泄和泥沙沖淤平衡等功能,是湖南水利安全、糧食安全和生態(tài)安全的重要基地。護(hù)城垸位于洞庭湖區(qū),西南臨藕池河?xùn)|支,東靠華容河,垸內(nèi)總面積364.6 km2。其中,一線大堤分藕池河、華容河,總長(zhǎng)82.816 km,南堤長(zhǎng)6.974 km,合計(jì)89.79 km,堤防級(jí)別為Ⅱ級(jí),建筑物級(jí)別Ⅱ級(jí)。

    1.2 模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分

    采用COMSOL Multiphysics對(duì)洞庭湖區(qū)某坡面進(jìn)行穩(wěn)定性分析??紤]邊界尺寸,建立的模型長(zhǎng)70 m、高14.5 m,地層從上至下依次為素填土(厚度6 m)、粉質(zhì)粘土(3.7 m)、淤泥粉質(zhì)粘土(1.8 m)、基巖(3 m);模型底部為固定約束,模型兩邊為輥支撐,共劃分4 533個(gè)域單元和772個(gè)邊單元,采用三角形自由網(wǎng)格進(jìn)行劃分(如圖1所示)。本文選取三種典型護(hù)坡形式開展數(shù)值計(jì)算:①堤岸未進(jìn)行護(hù)坡;②采用10 cm厚的混凝土砌塊護(hù)坡;③采用生態(tài)砌塊護(hù)坡。

    圖1 模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分

    1.3 參數(shù)選取與求解

    通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)堤岸的地質(zhì)勘察,得到的堤岸土層相關(guān)參數(shù)見表1。此外,為了考慮生態(tài)砌塊護(hù)坡時(shí)植被根系穩(wěn)定堤岸的作用,護(hù)坡層厚度取30 cm,不同土層根系作用后護(hù)坡層物理力學(xué)性能見表2。數(shù)值計(jì)算模型采用迭代式求解器進(jìn)行求解。

    表1 各土層物理學(xué)指標(biāo)

    表2 不同土層根系作用后的物理力學(xué)指標(biāo)

    2 堤岸穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

    2.1 安全系數(shù)對(duì)比分析

    基于強(qiáng)度折減法獲得了三種典型護(hù)坡形式下的堤岸最小安全系數(shù),計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

    圖2 三種護(hù)坡形式下堤岸強(qiáng)度折減系數(shù)

    由圖2可知,在天然護(hù)坡、混凝土砌塊護(hù)坡、生態(tài)砌塊護(hù)坡下洞庭湖堤岸最小安全系數(shù)分別為1.525、1.66、1.895。由此可知,洞庭湖堤岸采用生態(tài)砌塊護(hù)坡穩(wěn)定性較混凝土砌塊護(hù)坡好,且相對(duì)于天然堤岸其穩(wěn)定性提高幅度達(dá)24.3%。

    2.2 塑性變形區(qū)對(duì)比

    塑性變形區(qū)是堤岸是否失穩(wěn)破壞的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。為此,計(jì)算獲得了三種典型護(hù)坡形式下堤岸最小安全系數(shù)的塑性變形區(qū)云圖,見圖3。由圖3可知,三種護(hù)坡的最大塑性形變區(qū)主要位于堤身與基巖分界處,為此在進(jìn)行堤岸防護(hù)時(shí)應(yīng)對(duì)此區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù),以提高堤岸安全性。

    圖3 堤岸最小安全系數(shù)的塑性變形區(qū)

    2.3 滑動(dòng)位移對(duì)比分析

    計(jì)算獲得了三種典型護(hù)坡形式下堤岸最小安全系數(shù)的滑移面,見圖4。

    由圖4可知,天然護(hù)坡形式下滑移區(qū)主要位于水位線以下,且位移量明顯大于水位線以上;混凝土砌塊護(hù)坡滑移面主要位于土層分界面,且位移量小于天然護(hù)坡形式;相比于混凝土砌塊護(hù)坡形式,生態(tài)駁岸砌塊護(hù)坡時(shí)堤岸滑移面面積減小,整體滑移顯著減小。

    圖4 不同護(hù)坡形式下堤岸的滑移面

    3 結(jié)論

    1)生態(tài)駁岸砌塊是一種可行的洞庭湖區(qū)堤岸護(hù)坡形式。計(jì)算結(jié)果表明,天然護(hù)坡、混凝土砌塊護(hù)坡、生態(tài)砌塊護(hù)坡下洞庭湖堤岸最小安全系數(shù)分別為1.525、1.66、1.895。相較于其他兩種護(hù)坡形式,生態(tài)砌塊護(hù)坡穩(wěn)定性分別提升了24.3%與14.16%。

    2)三種護(hù)坡形式下堤岸最大塑性形變區(qū)均位于堤身與基巖分界處,故護(hù)坡工程應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)該區(qū)域,以提高堤岸安全性。此外,生態(tài)駁岸砌塊護(hù)坡時(shí)堤岸滑移面面積減小,整體滑移也相對(duì)較小,天然護(hù)坡形式下堤岸滑移區(qū)主要位于水位線以下,且位移量明顯大于水位線以上,而混凝土砌塊護(hù)坡滑移面主要位于土層分界面,且位移量小于天然護(hù)坡形式。

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