姜大偉

(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)

北票市地處遼西低山丘陵區(qū)，大凌河流域中游，經(jīng)濟基礎(chǔ)差，對河道治理資金投入較少，因此每遇洪水沖毀林地、耕地的情況時有發(fā)生，特別是涼水河，住房及耕地大多分布于河道兩岸，當?shù)厝罕娨暣撕訛樯?。由于堤防建設(shè)時間早，運行年限長，防洪標準低，加之缺乏必要的運行維護，所以存在不同程度的防滲能力差、堤身裂縫破損、堤頂或斷面高程不足等問題，堤防安全運行面臨著嚴峻形勢[1]。目前，北票市傳統(tǒng)的堤防加固方式以混凝土面板或鋪設(shè)干(漿)砌石為主，雖然能夠增強其穩(wěn)定性，但以上方式改變了河流的原生地貌，其自然生態(tài)環(huán)境受到極大的破壞。近年來，新型生態(tài)護坡憑借其獨特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于防洪工程，這類護坡既能兼顧生態(tài)效益又能增強堤防穩(wěn)定性，充分發(fā)揮堤防加固的作用。其中，最典型的生態(tài)護坡——蜂格護坡，可通過將原有的植被、土體與柔性結(jié)構(gòu)及材料連接為統(tǒng)一整體，并結(jié)合堤防加高培厚等工程措施有效提升堤防的抗滑穩(wěn)定性，2019年水利部將其列入重點推廣應(yīng)用水利先進實用技術(shù)名單。

文章以北票市涼水河子河為例，將控制變量法與有限元分析法相結(jié)合，探討了堤防抗滑穩(wěn)定安全性受蜂格護坡、培厚、加高、坡比優(yōu)化等加固措施的影響，以期為提升涼水河流域防洪能力以及改善流域生態(tài)環(huán)境提供一定借鑒。

1 研究方法

1.1 基本原理

目前，水工設(shè)計計算的基礎(chǔ)仍以Mo hr-Coulomb定理為主，因其參數(shù)獲取難度小、原理簡明、可真實體現(xiàn)土的力學性質(zhì)等優(yōu)勢，在土力學計算中被廣泛的應(yīng)用，其表達式為：

τ-(σ×tanφ+c)≤0

(1)

實際上，Mo hr-Coulomb定理難以充分體現(xiàn)土地受第二主應(yīng)力的作用情況，但能夠客觀反映第一、第三主應(yīng)力對土體的作用結(jié)果。因此，對于Mo hr-Coulomb定理學者Drucker和Prager作出了適當?shù)男拚⒔rucker-Prager準則，其表達式為：

(2)

由于考慮了第二主應(yīng)力的作用，修正后的準則使計算結(jié)果與實際情況更加貼近，對應(yīng)用過程中堤防承受靜水壓力的情況具有更強的適用性[2]。鑒于此，文章對涼水河子河堤防工程，擬利用ANSYS有限元軟件和Drucker-Ptager準則進行模擬分析。

1.2 有限元模型

對堤防工程實體結(jié)構(gòu)利用ANSYS12.0軟件PLANE42平面單元進行建模，模擬過程中應(yīng)符合以下基本假設(shè)：①結(jié)構(gòu)材料均符合各向同性，均為理想彈塑性體，力學指標均為常數(shù)；②地基底面的豎直向、水平向均有限，地基兩側(cè)的豎直向無限而水平向有限[3-4]。

1.3 抗滑穩(wěn)定計算

堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)利用瑞典圓弧法計算分析，通過查閱資料、現(xiàn)場勘探和土工試驗等獲取相應(yīng)的參數(shù)[5]。在堤防穩(wěn)定滲流期、水位降落期以及施工期，抗滑穩(wěn)定性計算略有不同，結(jié)合防洪治理實際要求僅計算穩(wěn)定滲流期的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)A，其表達式為：

(3)

式中：c′為土體抗剪強度，kN/m3；b為條塊寬度，m；β為通過條塊底面中點半徑與條塊重力線之間的夾角，°；W1、W2為堤坡外水位以上和以下的條塊重力，kN；u為堤基或堤身在穩(wěn)定滲流期的孔隙壓力，kPa；Z為條塊底面重點至堤坡外水位之間的距離，m；γw為水的重度，kN/m3；φ′為有效內(nèi)摩擦角，°。

2 實例應(yīng)用

2.1 工程概況

北票市涼水河子河，河床寬淺，主河槽彎段較多，河勢不穩(wěn)定，擺動幅度較大，一旦發(fā)生洪水，勢必造成災(zāi)害。多年來，河道沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府始終致力于河道建設(shè)，整治河道，保家安民，在西官營鎮(zhèn)唐杖子、北河套、郝松溝、松臺溝、扣卜營、大巴里段，大三家鄉(xiāng)大三家段共投資450萬元，修建10a一遇防洪標準堤防工程5km，修建護岸工程5km，結(jié)構(gòu)形式多為石籠順壩，各項材料特性如表1。

表1 擬分析堤段的材料參數(shù)

治理河段現(xiàn)有堤防護腳沖刷嚴重，大部分裸露在外無法起到防護作用，局部堤段達不到防洪標準要求，并且原有防護結(jié)構(gòu)多為混凝土面板或干砌石，河流生態(tài)系統(tǒng)受到一定的破壞，現(xiàn)狀局部堤段已無法適應(yīng)當?shù)匕l(fā)展要求。因此，針對河道治理中存在的突出問題，應(yīng)以防洪治理為核心，以保障沿河居民安全為根本，有效結(jié)合非工程和防洪工程措施，遵循經(jīng)濟合理、技術(shù)可行、因地制宜、重點提出的原則，統(tǒng)籌考慮沿河兩岸、上下游之間的關(guān)系，確定近期建設(shè)治理目標，有步驟、有計劃地推進重點地區(qū)中小河道治理。

2.2 安全性分析

對于正常運行情況下，4級堤防工程的安全系數(shù)按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》最小取1.15。以加高、培厚、坡比優(yōu)化、設(shè)置蜂格護坡作為擬采取的堤防加固措施，對各項加固措施利用控制變量法逐一分析。

1)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與堤防高度之間的關(guān)系。設(shè)定堤防坡比為1∶3，堤頂寬度為3m，保持堤防底寬和坡比不變，自現(xiàn)有堤頂以0.08m為間隔單位，將堤防逐級加高至1.0m，建模分析結(jié)果如圖1。

圖1 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與加高高度的關(guān)系圖

由圖1可知，自變量變化方向與變量安全系數(shù)相反，堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在堤頂加高至1.0m時減少了25%，抗滑安全穩(wěn)定系數(shù)受堤防高度變化的影響顯著。

2)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與培厚厚度之間的關(guān)系。結(jié)合生態(tài)保護要求和征地條件限制，設(shè)定培厚最高值為2.0m，保持堤防高度和坡比不變培厚堤防后坡，并利用ANSYS12.0軟件PLANE42平面單元建模分析，輸出結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨堤防后坡厚度的增加而增大，培厚厚度達到2.0m上限時其上升幅度僅有1.35%，可見抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)受堤防培厚的影響較小。

3)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與坡比之間的關(guān)系。設(shè)定堤防斷面的初始坡比為1∶3，改變坡比保持堤防高度不變，應(yīng)用ANSYS12.0軟件PLANE42平面單元建模分析，其輸出結(jié)果如圖3所示。

圖2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與培厚厚度的關(guān)系圖

圖3 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與坡比的關(guān)系圖

由圖3可知，堤防斷面坡比與抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)負相關(guān)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在坡比接近1∶1時有最小值，該條件下堤防斷面相對于初始斷面，整體面積減少了2/3，經(jīng)濟效益達到最優(yōu)。

4)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與蜂格護坡之間的關(guān)系?，F(xiàn)階段，由于尚未形成統(tǒng)一的蜂格護坡厚度tm計算方法，故結(jié)合實際工程經(jīng)驗和廠家提供的推薦方法進行計算，具體如下：

其中，h為波浪設(shè)計爬高，m；n為雷諾護墊填石孔隙率，%；θ為河岸傾角，°；△m為相對單位的水下材料容重。采用以上公式，通過一系列運算確定推薦厚度tm為18cm。

為進一步探究抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)受蜂格護坡不同設(shè)置方式的影響，綜合考慮實際需求和構(gòu)造要求等情況擬選用單層蜂格護坡。設(shè)定堤防高度和坡比不變，采用蜂格帖坡設(shè)置、水平分層設(shè)置和不設(shè)置三種護坡方式，應(yīng)用ANSYS12.0軟件建模分析，模擬結(jié)果見表2。

表2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與蜂格護坡方式間的關(guān)系

由表2可知，帖坡設(shè)置、水平分層設(shè)置與不設(shè)置相比，蜂格護坡的抗滑穩(wěn)定系數(shù)提高了16.7%和35.3%。研究表明，設(shè)置蜂格護坡能夠明顯增強堤防的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。

3 結(jié) 論

為了解決北票市涼水河子河堤防安全隱患問題，采用有限元分析法深入探討了堤防整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)受加高、培厚、坡比優(yōu)化、設(shè)置蜂格護坡等加固措施的影響，主要結(jié)論如下：

1)堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在堤頂加高至1.0m時減少了25%，兩者的變化方向相反，抗滑安全穩(wěn)定系數(shù)受堤防高度變化的影響顯著。

2)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨堤防后坡厚度的增加而增大，培厚厚度達到2.0m上限時其上升幅度僅有1.35%，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)受堤防培厚的影響較小。

3)堤防斷面坡比與抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)負相關(guān)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在坡比接近1:1時有最小值，該條件下堤防斷面相對于初始斷面，整體面積減少了2/3，經(jīng)濟效益達到最優(yōu)。

4)帖坡設(shè)置、水平分層設(shè)置與不設(shè)置相比，蜂格護坡的抗滑穩(wěn)定系數(shù)提高了16.7%和35.3%?？梢娫O(shè)置蜂格護坡能夠明顯增強堤防的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。