陳 寅

(廣州市珠江前后航道流域事務(wù)中心，廣東 廣州 510000)

堤壩是珠江流域防洪減災(zāi)的重要基礎(chǔ)水利設(shè)施。近年來隨著防汛排洪規(guī)劃要求的提升，珠江流域重點(diǎn)城市堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)普遍達(dá)到200 a一遇，這對堤壩穩(wěn)定性提出了更高要求。所以早先存在的由于邊坡不穩(wěn)導(dǎo)致堤壩出現(xiàn)水毀等現(xiàn)象需要快速杜絕。因?yàn)樗畾Р粌H威脅農(nóng)作物收成，更威脅人民生命安全，而且還會對下游造成不可逆的環(huán)境損傷。

由于柔性溢洪道造價(jià)低，施工快，且施工材料易獲取的特點(diǎn)，該水利建筑工程的應(yīng)用正由堤壩發(fā)展為具有階梯排洪需求的水利工程。鑒此，我國在堤壩內(nèi)修建柔性溢洪道的施工經(jīng)驗(yàn)可以由此發(fā)揚(yáng)光大。另外，柔性溢洪道的邊坡是由土工織物組成，提高邊坡邊墻的穩(wěn)固性和耐侵蝕性，則可以同步提升柔性溢洪道的穩(wěn)固程度。

1 堤壩現(xiàn)狀

1.1 堤壩組成

首先需要針對溢洪道的修建地的地理特點(diǎn)進(jìn)行分析，堤壩由于類型和組成不同分為三類，他們的特點(diǎn)和組成見表1。

表1 組成及特點(diǎn)

鑒于大中型堤壩的地理位置的重要性，溢洪道是連接堤壩壩體和泄水洞的主要途徑。然而小型壩只有壩體沒有溢洪道，也沒有泄水洞；部分中型壩也沒有修建溢洪道，而是直接在壩體上修建泄水洞，這勢必導(dǎo)致堤壩的攔洪蓄洪效果大打折扣。溢洪道是否修建和邊坡是否穩(wěn)定將決定著堤壩的泄洪排洪能力和攔截泥沙淤泥效果的好壞。本文將對溢洪道邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析及參數(shù)優(yōu)化，以獲得優(yōu)質(zhì)的邊坡穩(wěn)定方案。

1.2 水毀問題調(diào)研

目前，珠江流域上下游已經(jīng)建造水庫近萬座，積水面積超過1 000 km2的河流超過120條，珠江水系河流生境包括“平原緩流型”和“山麓急流型“，覆蓋面積廣，也關(guān)系到廣大農(nóng)民的水田安全。如果經(jīng)常性地出現(xiàn)堤壩壩體、泄水洞和溢洪道的水毀現(xiàn)象，不僅增加了堤壩自身除險(xiǎn)加固和維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的投入，還會對下游人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成較大的威脅。專家調(diào)研報(bào)告指出，水毀數(shù)量占比最大的原因是中小型堤壩未建設(shè)溢洪道，以及剛性溢洪道年久失修導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)。

專家指出，目前中小壩體不建設(shè)溢洪道的數(shù)量超過90%。結(jié)合2018年以來珠江流域多地?，F(xiàn)惡劣天氣。一旦發(fā)生洪澇災(zāi)害，蓄滿水的小型壩將只能靠熱量蒸發(fā)以及地表和地下水滲透降低蓄水量，若再次發(fā)生暴雨或上游泄洪，則極易發(fā)生壩體潰塌等事故。所以中小壩體修建成本可控的溢洪道迫在眉睫。

溢洪道在大型壩和骨干壩中的重要地位不容忽視，且珠江流域降雨集中，由于目前天氣變化極易產(chǎn)生連續(xù)暴雨，惡劣天氣的集中高頻出現(xiàn)，對于壩體是否修建具有足夠穩(wěn)定性的溢洪道提出了較高的要求。而傳統(tǒng)溢洪道屬于剛性溢洪道，通過混凝土和磚石進(jìn)行堆砌修建而成，不僅施工周期長造價(jià)高，且經(jīng)常因?yàn)槭┕べ|(zhì)量問題導(dǎo)致后續(xù)的次生災(zāi)害，短時(shí)間內(nèi)無法建成或恢復(fù)，存在較大安全隱患。

中小型堤壩的剛性溢洪道的造價(jià)成本約為100～150萬元，相對壩體修建占比較高，同時(shí)存在加固、修復(fù)及修繕成本高，施工周期長的問題，且剛性溢洪道為混凝土和磚石作為主材，一旦施工修建完畢后，后期由于地基沉降導(dǎo)致的溢洪道斷裂、斷層等問題將需要進(jìn)行修復(fù)，同樣耗費(fèi)成本較高。據(jù)公開招標(biāo)網(wǎng)站查詢，中小型壩體的柔性溢洪道修建成本約為20～50萬元，加固及修繕成本約10～20萬元，相比剛性溢洪道的修建，成本大幅度降低。

對目前堤壩水毀原因進(jìn)行調(diào)查匯總后發(fā)現(xiàn)，中小壩體對修建高性價(jià)比、施工工期短的溢洪道需求量較大。

表2 溢洪道存在問題

1.3 解決方案

在珠江流域頻繁發(fā)生洪澇災(zāi)害的地段，使用柔性溢洪道進(jìn)行泄洪排洪，是目前水利工程的主要做法。柔性溢洪道使用裝入黃土作為主材的復(fù)合土工袋進(jìn)行邊坡建設(shè)，具有成本低、建設(shè)周期短、邊坡能力強(qiáng)、修復(fù)簡便的特點(diǎn)，復(fù)合土工袋的材質(zhì)為PET材料，具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，耐酸堿、高低溫環(huán)境下依然具有較好的韌性，被用來進(jìn)行加工土工布具有天然優(yōu)勢，市政及水利行業(yè)使用較廣泛。柔性溢洪道的建設(shè)雖然從根本上解決了剛性溢洪道高造價(jià)成本和長建設(shè)工期的問題，尤其是對于變坡幅度大的區(qū)域尤其具有較高的使用價(jià)值，但是柔性溢洪道本身也存在問題：

(1)復(fù)合土工材料的選材：復(fù)合土工材料需要具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，風(fēng)吹日曬導(dǎo)致的抗老化性能等，需要對復(fù)合土工材料的選取進(jìn)行詳盡調(diào)研，實(shí)驗(yàn)完畢獲取所想要的數(shù)據(jù)后再進(jìn)行柔性溢洪道的方案編制。

(2)復(fù)合土工袋填土后的造型穩(wěn)定性：由于復(fù)合土工材料內(nèi)裝入黃土，使得復(fù)合土工袋在填土完畢后很難成型，如果袋子破裂造成黃土泄露就容易導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)變形。

(3)相鄰?fù)凉ごg的間隙組合：溢洪道周邊采用的是填土后的復(fù)合土工袋，相鄰?fù)凉ごg如果出現(xiàn)破裂或漏水，如果沒有做好土工袋的間隙組合，將會導(dǎo)致成組土工袋坍塌、變形或者歪斜。

針對上述問題，工程實(shí)踐中通過對土工袋組成的邊坡進(jìn)行加筋來建設(shè)新型溢洪道，采取階梯形勢，且階梯之間的間隙進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，運(yùn)用塑性力學(xué)的極限定理進(jìn)行邊坡穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算，通過分析成組土工袋之間的滑移模式，比較不同固定方案的安全系數(shù)，獲取具有最高安全系數(shù)的加筋固定方案。

2 邊坡加固方案

2.1 新型柔性溢洪道的常規(guī)加筋方案

將多層復(fù)合土工袋內(nèi)裝黃土后進(jìn)行堆壘后成為柔性溢洪道的邊墻，具體施工過程中，需要將每層土工袋組成坡比的邊坡，且邊坡通過U型釘進(jìn)行加筋，豎直加筋的高度為h，加筋的長度為橫向土工袋的間距L。圖1為土工袋邊墻砌筑和邊坡挖線的相對位置，其中U型釘?shù)淖饔檬欠乐雇凉げ即惭b后由于載荷增大導(dǎo)致滑移，當(dāng)施加的豎向載荷P作用時(shí)，土工袋受到豎向的壓力、斜向的剪切力。

圖1 溢洪道邊坡的主要參數(shù)及組成

如果三角形加筋方案中的筋材數(shù)量不足以支撐土工袋的抗剪切力導(dǎo)致對內(nèi)部的填土無法提供足夠的約束力，從而產(chǎn)生土工袋滑移。另外，來自上層的土壓力持續(xù)增大，三角形邊坡在加筋后仍然不足以支撐土壓時(shí)，土工袋將會坍塌或者滑移，故大型堤壩的柔性溢洪道采用矩形加筋形式。相對于三角形加筋方案，矩形加筋具有成本造價(jià)高、施工周期長等特點(diǎn)，但是其穩(wěn)定性大大提升，是目前大型柔性溢洪道的不二選擇。

2.2 基于塑性力學(xué)的極限分析法分析邊坡穩(wěn)定性

鑒于堤壩的邊坡為土質(zhì)邊坡，邊坡失穩(wěn)是堤壩溢洪道施工建設(shè)的主要研究及防范方向，也是結(jié)構(gòu)塑性力學(xué)的主要應(yīng)用方向之一，通過對結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的塑性受力情況進(jìn)行分析，施加塑性極限載荷時(shí)，得出使機(jī)構(gòu)失去承載力的極限值，故通過邊坡的可靠度分析來衡量邊坡的安全性和穩(wěn)定性。業(yè)內(nèi)通常使用多種方式進(jìn)行穩(wěn)定性分析，如常見的蒙特卡洛模擬法、有限元法、最優(yōu)化法，基于塑性極限理論分析，尤其是上極限分析，得到的數(shù)據(jù)具有代表性和科學(xué)性，故在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。

李典慶提出的邊坡失穩(wěn)估算是基于多滑動模式的原理，將失效概率和失效后果系數(shù)進(jìn)行相乘后加權(quán)得到的最終結(jié)果，將其作為邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)總系數(shù)：

(1)

張小艷等提出的基于塑型運(yùn)動力學(xué)上限速度場的失穩(wěn)估算公式為式(2)，該公式的基礎(chǔ)是擬研究單元內(nèi)發(fā)生的塑性流動對周圍的邊界會產(chǎn)生相對速度，該速度的表征是塑性力學(xué)大小是否為0的最形象表述。失穩(wěn)的功能函數(shù)如下：

(2)

其中u(t)為其中某個(gè)單元形心速度，三角形單元符合平均值定理。

每個(gè)單元的失穩(wěn)概率如下：

(3)

整個(gè)邊坡的失穩(wěn)概率如下：

(4)

式(4)相比式(2)簡化了運(yùn)算，且考慮了邊坡每個(gè)單元有可能存在的失效模式，故在工程施工中被廣泛應(yīng)用。

2.3 滑移模式下測算邊坡加筋方案主參數(shù)

珠江流域堤壩柔性溢洪道的土工袋內(nèi)裝黃土，結(jié)合《SL386-2016水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》文件要求,根據(jù)行業(yè)規(guī)范將邊坡的穩(wěn)定性安全容許值選擇為F=1.05,對應(yīng)的物理參數(shù)列表如表3。

表3 黃土物理參數(shù)列表

邊坡失穩(wěn)由邊坡滑移導(dǎo)致，且業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為裝有黃土的土坡臨界滑移模式為庫侖模式，庫侖滑移模式下采用條分法計(jì)算各條塊相對底滑面的相對速度分別設(shè)為vi-1、vi，并且這兩相鄰條塊之間的相對速度為0(圖2)，公式表達(dá)為：

vi-1=vi

(5)

vi-1，i=0

(6)

圖2 滑移模式相對速度關(guān)系

設(shè)定Fi和Fe為第i條塊的底滑面應(yīng)力與折減到滑裂面的有效應(yīng)力，φi和φe分別為內(nèi)摩擦角和折減到滑裂面的有效內(nèi)摩擦角，安全系數(shù)F為底滑面應(yīng)力和有效應(yīng)力的比值，也就是其正切值的比值：

(7)

(8)

加筋后筋材在整個(gè)結(jié)構(gòu)體中做的功等于其內(nèi)部耗散所做的功，據(jù)此計(jì)算出安全系數(shù)F。極限狀態(tài)下每層筋材的的強(qiáng)度均在最大值，此時(shí)的筋材內(nèi)外功平衡公式如下：

(9)

將式(5)-(8)代入式(9)得出安全系數(shù)F。業(yè)內(nèi)較多使用的計(jì)算方式是陳祖煜教授編寫的STAB軟件，據(jù)該軟件顯示柔性溢洪道的臨界滑裂面安全系數(shù)為0.74，此時(shí)對應(yīng)的邊坡邊緣長度為1.38 m，但是安全系數(shù)較小，需要通過增加邊坡長度，也就是加筋長度來提高安全系數(shù)，暫取加筋的長度方案為2.1 m(圖3)。

圖3 臨界滑裂面安全系數(shù)

3 評估土工布材質(zhì)和邊坡安全系數(shù)的相關(guān)性

查閱土工布的物理參數(shù)，根據(jù)GB/T 17638-2017《土工合成材料短纖針刺非織造土工布》上的數(shù)據(jù)顯示(需參考1998版)，土工布不同規(guī)格之間的允許抗拉強(qiáng)度分別見表4。

表4 土工布物理參數(shù)列表

在具體施工過程中，一般選取加筋間距的區(qū)間為[0.3,0.6]，還需要根據(jù)實(shí)際施工空間進(jìn)行調(diào)整，土工布規(guī)格常見選取規(guī)格區(qū)間為[200,500] g/m2，將5種規(guī)格的土工布對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度分別對應(yīng)0.3～0.6 m進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算，得到表5數(shù)據(jù)：

表5 加筋間距和安全系數(shù)之間的關(guān)系

然后將5種不同規(guī)格對應(yīng)的加筋間距錄入圖4，得到5根代表不同間距下的安全系數(shù)變化趨勢，可以看出：

(1)單種規(guī)格的土工布，隨著加筋間距的增加，其安全系數(shù)遞減。

(2)在同樣的加筋間距下，密度越大的土工布其安全系數(shù)增長速度越快。

(3)當(dāng)加筋距離越大時(shí)，不同規(guī)格土工布的安全系數(shù)相差不大，此時(shí)土工布的抗拉強(qiáng)度已經(jīng)不高，對整個(gè)邊坡的安全系數(shù)影響不大。

上述趨勢十分明顯，可以為方案編制人員針對安全系數(shù)的變化方面提出如下建議：

當(dāng)加筋間距在0.3 m附近時(shí)，土工布的不同規(guī)格之間對安全系數(shù)的影響較大，以選擇高密度土工布為宜；

當(dāng)加筋間距在[0.4,0.5] m時(shí)，土工布密度越大、抗拉強(qiáng)度越大、安全系數(shù)也越大的趨勢比較明朗；

當(dāng)加筋間距超過0.5 m，土工布的規(guī)格變化和抗拉強(qiáng)度對安全系數(shù)的影響已經(jīng)不明顯。

所以在柔性溢洪道邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，為增加邊坡穩(wěn)定性選擇的加筋方案以加筋間距0.3 m，選材200 g/m2規(guī)格作為最優(yōu)參數(shù)。

圖4 不同規(guī)格土工布的加筋間距對安全系數(shù)的影響

4 結(jié)語

通過計(jì)算不同規(guī)格的土工布在加筋間距從小到大變化的過程中，獲得其安全系數(shù)不斷遞減的趨勢和具體數(shù)據(jù)，然后在同樣間距下，土工布規(guī)格越密其抗拉強(qiáng)度越大，將5種規(guī)格的土工布其加筋間距對應(yīng)的安全系數(shù)繪制在同一張圖表上，可以看出選取方案的要點(diǎn)為：

(1)經(jīng)濟(jì)型方案：既滿足成本足夠經(jīng)濟(jì)又滿足邊坡穩(wěn)定性需要，可選取200 g/m2規(guī)格土工布，加筋間距0.3 m的方案。

(2)穩(wěn)定性方案：邊坡穩(wěn)定性為第一考量要素，經(jīng)濟(jì)成本作為第二考量要素，可選取300 g/m2規(guī)格土工布，加筋間距0.5 m的方案。

除此以外，可以根據(jù)現(xiàn)場施工情況和工程預(yù)算進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

(3)本文根據(jù)土工布自身具有的塑性力學(xué)上限特性進(jìn)行分析，根據(jù)邊坡加筋方式及取材材質(zhì)的不同，計(jì)算出不同的安全系數(shù)，基于上述理論進(jìn)行加筋方案的最優(yōu)參數(shù)的計(jì)算，從而獲取性價(jià)比和安全系數(shù)最高的加筋施工方案，使得柔性溢洪道邊坡具有較好的穩(wěn)定性，且造價(jià)成本可控。