基于不同護(hù)坡形式的洞庭湖堤岸穩(wěn)定性對(duì)比分析

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。