何懷光，陳星佑，潘雨齊，周 雙，張 聰

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

引 言

水域堤岸長期受到水流沖刷、波浪侵蝕等影響極易發(fā)生崩塌、水土流失等災(zāi)害，為此，工程上一般對堤岸進行護坡防護來提高其穩(wěn)定性，常見的堤岸護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，但該類護坡形式較之傳統(tǒng)的護坡形式對堤防穩(wěn)定的影響仍需要進一步探究。

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

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

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，兼具有緩解長江中下游地區(qū)洪澇災(zāi)害、減小長江干流的沖淤變遷、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。護城垸位于洞庭湖區(qū)，西南臨藕池河東支，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82.816 km，南堤長6.974 km，合計89.79 km，堤防級別為Ⅱ級，建筑物級別Ⅱ級。

1.2 模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分

采用COMSOL Multiphysics對洞庭湖區(qū)某坡面進行穩(wěn)定性分析?？紤]邊界尺寸，建立的模型長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個域單元和772個邊單元，采用三角形自由網(wǎng)格進行劃分（如圖1所示）。本文選取三種典型護坡形式開展數(shù)值計算：①堤岸未進行護坡；②采用10 cm厚的混凝土砌塊護坡；③采用生態(tài)砌塊護坡。

圖1 模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分

1.3 參數(shù)選取與求解

通過對現(xiàn)場堤岸的地質(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)砌塊護坡時植被根系穩(wěn)定堤岸的作用，護坡層厚度取30 cm，不同土層根系作用后護坡層物理力學性能見表2。數(shù)值計算模型采用迭代式求解器進行求解。

表1 各土層物理學指標

表2 不同土層根系作用后的物理力學指標

2 堤岸穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

2.1 安全系數(shù)對比分析

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

圖2 三種護坡形式下堤岸強度折減系數(shù)

由圖2可知，在天然護坡、混凝土砌塊護坡、生態(tài)砌塊護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)砌塊護坡穩(wěn)定性較混凝土砌塊護坡好，且相對于天然堤岸其穩(wěn)定性提高幅度達24.3%。

2.2 塑性變形區(qū)對比

塑性變形區(qū)是堤岸是否失穩(wěn)破壞的重要評價指標。為此，計算獲得了三種典型護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，為此在進行堤岸防護時應(yīng)對此區(qū)域進行重點防護，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 滑動位移對比分析

計算獲得了三種典型護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；混凝土砌塊護坡滑移面主要位于土層分界面，且位移量小于天然護坡形式；相比于混凝土砌塊護坡形式，生態(tài)駁岸砌塊護坡時堤岸滑移面面積減小，整體滑移顯著減小。

圖4 不同護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)堤岸護坡形式。計算結(jié)果表明，天然護坡、混凝土砌塊護坡、生態(tài)砌塊護坡下洞庭湖堤岸最小安全系數(shù)分別為1.525、1.66、1.895。相較于其他兩種護坡形式，生態(tài)砌塊護坡穩(wěn)定性分別提升了24.3%與14.16%。

2）三種護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，故護坡工程應(yīng)重點針對該區(qū)域，以提高堤岸安全性。此外，生態(tài)駁岸砌塊護坡時堤岸滑移面面積減小，整體滑移也相對較小，天然護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，而混凝土砌塊護坡滑移面主要位于土層分界面，且位移量小于天然護坡形式。