河流沖刷深度對堤防結構的影響研究

彭慧榮

(新疆維吾爾自治區烏魯瓦提水利樞紐管理，新疆 和田 848000)

1 堤防簡介

托什干河從阿合奇縣境內蘇木塔什至蘇其克巴斯渠首河段總長度 25.4km，主流偏向右岸，沖刷嚴重。據多年觀測，一般河床下切約0.5-1.0m，汛期實際沖刷深度較大，現有臨時性防洪工程的基礎埋置深度不夠， 防洪堤壩屢被沖毀。根據沙里桂蘭克站實測資料表明，斷面最大水深出現在流量Q=243- 629m3/s的中小水期，實測最大沖深達 7.1m(1987年Q=629m3/s)。這是由于中枯水期水流歸槽，含沙量小，挾沙能力大，水流沖刷能力特別強烈所致。阿合奇縣段防洪段，已建成防洪堤防共有6處，基本上為臨時性土坎和石坎。標準低、質量差，并且已嚴重損壞，失去防洪作用。在吾曲段建有1.15km防洪堤，堤頂寬4m，壩高3.5m，基礎埋深4m，護面漿砌石，基礎型式直墻，洪水960m3/s，重現期為10a一遇，由于基礎沖刷和護面破壞，多次來水超過設計洪水屢遭破壞，沖毀地段只能用鉛絲籠、三腳架進行防洪抗險。

本著因地制宜，就邊取材的原則，采用穩定的梯形斷面，直接用開挖基礎的砂礫石和就地取材填筑均質堤。堤壩臨水坡采用1∶1.5。背坡為1∶1。堤頂寬度4.0m，堤高3.5m，基礎埋深度6m，臨水面護坡結構型式采用漿砌石護面， 底部寬度0.5m，上部寬度0.30m，每10m設伸縮縫，填縫材料是SBS。防洪堤壩基礎型式為重力式擋土墻，采用毛石混凝土澆注，在考慮以上實際情況，考察論證得到歷史沖刷深度資料后，選取4m、5.36m、6m三種沖刷深度，驗算堤身結構破壞沖刷深度[1-2]。

2 模型及軟件簡介

三維拉格朗日法經常被用于經典物理力學的模擬上，尤其是巖土體和大部分工程材料。它采用顯性有限差數值模擬的方法來建立并且解答微分方程，采用混合單元離散模型，可以精確模擬材料的屈服、塑性流動、軟化和大變形，特別是在彈塑性領域施工過程分析、大變形分析及模擬等[3]。

FLAC3D(3D連續高速拉格朗日分析)是Itasca咨詢公司goup LNC開發的一個三維高速拉格朗日分析程序，用ANSI C+語言模擬巖土材料在達到強度極限或屈服極限或塑性流動力學行為時的斷裂行為，特別適用于分析漸進斷裂和損失以及大變形的模擬。這包括彈塑性材料的10個本構模型，包括靜態、動態、蠕變、滲流和溫度計算模型。各種模型可以相互結合，可以模擬各種結構，如巖石、土壤和其他材料的主體。梁、錨單元、樁、殼和人體結構，如支架、底座、錨、錨、陶器、摩擦樁和界面等，可以模擬復雜的土過程和單樁等力學問題。

3 堤身荷載分級、堤身單元剖分

3.1 堤身填筑施工程序與荷載分級

在有限元分析中，結合施工過程共分四級加荷。第一級為基礎覆蓋層；第二級為擋土墻；第三級為堤身到 2.8m 高水位；第四級為堤頂及路基；第五級為蓄水到最高洪水位 2.8m。荷載分級見表1。

表1 荷載分級表

3.2 堤身單元剖分

模型坐標系取為：以堤身上游垂面與堤基交線的中點為坐標原點，y軸沿上下游方向指向下游，z軸垂直指向上方，x軸垂直水流方向指向右岸。空間模型見圖1和圖2。

從該堤防工程中取30m長的堤段作為研究對象，建模并進行單元剖分。整個結構模型剖分共17732個結點，15000個單元。基巖部分考慮向上下游、左右岸及深度方向各延伸2倍堤高，地基底面和側面加法向約束。

3.3 堤基不同沖刷深度的單元剖分

堤基沖刷深度4m時，結構模型剖分共16151個結點，13560 個單元。堤基沖刷深度 5.36m時，結構模型剖分共15624個結點，13080個單元。堤基沖刷深度6m時，結構模型剖分共15097個結點，12600個單元。空間模型及斷面網格圖見圖3-圖6。

圖1 堤身及堤基整體網格剖分圖 圖2 堤身及堤基整體網格剖分圖

圖3 典型斷面網格圖

圖5 堤基沖刷深度4m時典型斷面網格圖

4 計算成果分析

4.1 豎向位移分析

從等值線圖圖8和圖9可以看出，堤基沖刷深度到4m時，最高洪水位期豎向最大位移出現在約堤身和堤基水平接觸面靠近擋土墻位置，最大豎向位移值為0.037m，這是施加水壓力引起豎向位移變大的結果。堤基沖刷深度到5.36m時，最高洪水期出現豎向最大位移的位置一樣。位移值為0.1m。模擬運算假設沖刷深度達到6m時，運算結果不收斂，故判斷堤身已經破壞。

堤基沖刷深度分別為4m、5.36m時，最高洪水位期豎向位移等值線圖如圖8和圖9所示。

圖7 堤基沖刷深度6m時典型斷面網格圖

圖8 堤基沖刷深度4m時堤身斷面豎向位移等值線圖(m) 圖9 堤基沖刷深度5.36m時堤身斷面豎向位移等值線圖(m)

4.2 水平向位移分析

堤基沖刷深度分別為 4m、5.36m 時，最高洪水位期豎向位移等值線圖如圖10和圖11所示。

從等值線圖圖10和圖11可以看出，堤基沖刷深度到4m時，向上游的最大水平位移值為0.034m；向下游的最大位移值為0.002m；而堤基沖刷深度到5.36m 時，最高洪水位期向上游的水平位移最大位移值為0.1m；向下游的最大位移值為 0.005m；具體位置見圖10和圖11。

4.3 應力分析

堤基沖刷深度分別為 4m、5.36m 時，最高洪水位期的第一主應力云圖和第三主應力云圖如圖12至圖13所示。從應力云圖圖12至圖13可以看出，堤基被沖刷后最高洪水位工況計算的第一主應力和第三主應力都沿壩高逐漸減小，說明總體變化規律大致相同。堤基沖刷深度到 4m 時，第一主應力最大值為 365.27kPa，第三主應力最大值為 191.46 kPa；堤基沖刷深度到 5.36m 時，第一主應力最大值為 565.27 kPa， 第三主應力最大值為 190.77 kPa。

a.堤基沖刷深度4m時 b.堤基沖刷深度5.36m時

大主應力由堤基向堤頂逐漸減小，在混凝土擋土墻和漿砌石面板附近應力變化復雜，這是由于混凝土材料變形模量比周圍覆蓋層和堤身砂礫石大得多，混凝土阻止周圍覆蓋層和堤身的變形，從而使混凝土擋土墻和漿砌石面板附近覆蓋層及堤身應力表現復雜。隨著堤基沖刷深度的變大，由于水壓力的作用，堤身大主應力逐步變大，在混凝土擋土墻和漿砌石面板附近變化更為明顯。沖刷深度到5.36m左右時應力值變化非常大，在擋土墻底部開始出現拉應力，堤身趨于破壞。

5 分析結論

堤基沖刷深度分別為4m、5.36m 時，最高洪水位期的最大豎向位移、最大水平位移、第一主應力和第三主應力，其成果比較如表2所示。

表2 不同沖刷深度結果對比

通過對不同沖刷深度進行梯級計算，其中選取4m、5.36m、6m 三種沖刷深度，對堤基結構的影響進行了詳細分析。其中沖刷深度為4m 時，堤身和堤基結構基本穩定，應力、位移變化均符合規律，變化不大。沖刷深度為 5.36m 時，堤身和堤基出現部分不利于結構穩定的情況，應力和位移變化很大，尤其是擋土墻底部下游側開始出現拉應力，堤身出現較大位移等。而沖刷深度為 6m 時，運算結果不收斂，可以判斷堤身和堤基已破壞。