遼西北地區蜂格護坡堤防加固措施研究

于金源

(遼寧省河庫管理服務中心(省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

遼寧省內堤防有5級以上堤防11879km，其中大部分建成時間大于20年，最近一次河道堤防整治為2006年竣工的繞陽河河道整治工程，距今已有14年。由于早期建設的河道堤防防洪標準低，且在多年運行過程中養護不足，因此存在不同程度的堤身裂縫破損、斷面或堤頂高程不足、防滲能力較差等問題，對堤防的安全運行帶來了隱患[1]。目前遼寧地區主要采用鋪設干(漿)砌石或混凝土面板等傳統方式進行加固，以上方式雖然提高了堤防穩定性，但由于改變了原生地貌，對河道周邊的生態環境造成了不良影響。近年來各類生態護坡形式逐漸興起，這類護坡在加固堤防提升其穩定性的同時兼顧生態效益，逐漸得到了廣泛應用。其中，蜂格護坡作為生態護坡中的典型代表，通過柔性材料及結構與原有的土體、植被連接為統一的整體，與堤防加高培厚等工程措施的結合，可以有效提高堤防的抗滑穩定性，被水利部列入2019年水利先進實用技術重點推廣應用名單。

文章以小凌河(老虎溝—六家子段)防洪治理工程為例，利用有限元分析方法，采用控制變量法對優化坡比、加高、培厚、蜂格護坡等加固措施對堤防的穩定性影響進行分析，以期為遼寧西北地區的堤防加固提供借鑒。

1 計算原理與方法

1.1 計算原理

目前水工設計計算中，多采用Mohr-Coulomb定理，該定理能夠較為貼合實際地體現土的力學性質，同時，因其參數簡明且獲取難度小被廣泛應用于土力學計算：

τ-(σ×tanφ+c)≤0

(1)

Mohr-Coulomb定理較好體現了土體第一主應力和第三主應力的作用結果，但對第二主應力對土體的作用情況表現地并不充分。基于此，Drucker和Prager對Mohr-Coulomb定理進行了修正，提出了Drucker-Prager準則，即

(2)

修正后的準則計入了第二主應力的影響，使結果更加貼合實際，且更適用于堤防實際應用時存在河流靜水壓力的工況[2]，因此本文選取Drucker-Prager準則采用ANSYS有限元軟件對小凌河(老虎溝—六家子段)防洪治理工程進行模擬計算。

1.2 有限元模型構建

選用ANSYS12.0平面單元PLANE42單元對實體結構進行模擬[3]。基本假設如下：

(1)各項材料的彈性力學指標均為常數，且各向同性。

(2)各項材料均為理想彈塑性體。

(3)地基底面為水平和豎直均有限。

(4)地基兩側水平方向有限，豎直方向無限。

1.3 抗滑穩定安全系數計算

采用瑞典圓弧法對堤坡抗滑穩定安全系數進行分析，各項參數通過土工試驗、現場勘探及查閱資料獲得。堤防抗滑穩定性計算在施工期、水位降落期、穩定滲流期略有不同，文章僅針對穩定滲流期進行計算[4]。

(3)

式中，b—條塊寬度，m；W—條塊重力，W=W1+W2γWZb，kN；W1—在堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2—在堤坡外水位以下的條塊重力，kN；Z—堤坡外水位高出條塊底面中點的距離，m；u—穩定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa；β—條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，(°)；γW—水的重度，kN/m3；c′—土的抗剪強度指標，kN/m3；φ′—有效內摩擦角，(°)。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

小凌河(老虎溝—六家子段)防洪治理工程治理范圍是元寶山水庫溢洪道下游至老陸家村段，總長6.138km，項目區老陸家村斷面以上流域面積為282km2，河道平均比降為6.12‰，左岸Z0-055.0—Z3+005.0為六家子鎮段，防洪標準為20年一遇，堤防工程級別為4級[5]，堤防堤身高4.0m，堤頂寬約3m，各項材料特性見表1。治理段現有堤防局部不滿足防洪標準，且護腳沖刷嚴重，大部分已經裸露在外，已無法起到防護作用，且原有防護措施未充分考慮生態效益，現狀局部段無法滿足該區域社會經濟發展的需求，因此選取該段進行防護工程加固措施分析。

表1 擬分析堤防段各項材料參數

2.2 各項措施安全性分析

2.2.1擬分析堤防現狀

根據GB 50286—2013《堤防工程設計規范》[6]，4級堤防工程正常運用情況下安全系數最小為1.15。堤防擬采取的加固措施為坡比優化、加高、培厚、設置蜂格護坡[7-9]，采用控制變量法對各加固措施逐一進行分析。

2.2.2坡比對抗滑穩定安全系數的影響

擬分析堤防初始斷面坡比為1∶3，令堤防高度不變，改變坡比進行計算。計算結果如圖1所示。

圖1 不同坡比的抗滑穩定安全系數

從圖1可以得出，堤防抗滑穩定安全系數與坡比成負相關，在坡比接近1∶1時達到抗滑穩定安全系數下限，此時堤防斷面面積最小，與初始斷面相比減少2/3，經濟效益最好。

2.2.3堤防高度對抗滑穩定安全系數的影響

令堤防坡比和底寬度不變，自現有堤頂對堤防進行加高。現有堤頂寬度為3m，堤防坡比為1∶3，加高最高高度為1m，以0.08m為間隔單位進行計算。計算結果如圖2所示。

圖2 不同加高高度的抗滑穩定安全系數

由圖2得出，因變量安全系數與自變量變化方向相反，當堤防加高1m時，堤防整體抗滑穩定安全系數降低24%，堤防高度的變化對安全系數的影響較明顯。

2.2.4培厚厚度對抗滑穩定安全系數的影響

令堤防坡比和高度不變，自現有堤防后坡進行培厚，對不同培厚厚度下的抗滑穩定安全系數進行計算。考慮征地及生態保護因素，培厚厚度上限取2m。計算結果如圖3所示。

由圖3可得，隨著堤防后坡厚度增大，在達到上限2m時，其提升幅度為1.34%，對抗滑穩定安全系數影響較小。

圖3 不同培厚厚度的抗滑穩定安全系數

2.2.5蜂格護坡對抗滑穩定安全系數的影響

(1)護坡厚度的確定

蜂格護坡厚度計算目前尚無規范，根據廠家提供的推薦計算方法結合實際工程經驗進行確定[10]：

當tanα≥1/3時，

(4)

當tanα<1/3時，

(5)

式中，h—設計波浪爬高，m；θ—河岸傾角，(°)；n—雷諾護墊填石孔隙率，%；Δm—水下材料的相對單位重度，Δm=(rs-rw)/rw。

通過計算，得出蜂格護坡推薦厚度為16cm。

(2)蜂格護坡不同設置方式對抗滑穩定安全系數的影響

結合構造要求及當地需求等情況綜合考慮，該項目采取單層蜂格護坡。令堤防坡比和高度不變，對蜂格護坡水平分層設置、貼坡設置，如圖4—5所示，及不設置3種方式下的抗滑穩定系數進行Ansys有限元模擬計算，計算結果見表2。

表2 蜂格護坡不同設置方式工況下的堤防整體抗滑穩定安全系數

圖4 蜂格護坡水平分層設置方式

圖5 蜂格護坡貼坡設置方式

由表2可知，水平分層與貼坡設置蜂格護坡工況下的堤防抗滑穩定系數分別提高了36.4%和18.2%，蜂格護坡的設置顯著提升了堤防的穩定性。

3 結語

本文針對遼寧西北地區堤防存在的安全隱患問題，采用有限元分析方法，對優化坡比、加高、培厚、設置蜂格護坡等加固方式對堤防整體抗滑穩定系數的影響進行了研究，得出以下結論。

(1)堤防抗滑穩定安全系數與坡比成負相關，在坡比接近1∶1時達到抗滑穩定安全系數下限，此時堤防斷面面積最小，與初始斷面相比減少2/3，經濟效益最好。

(2)堤防抗滑穩定安全系數與堤防高度變化方向相反，且影響較為明顯。

(3)堤防抗滑穩定安全系數與堤防后坡厚度變化方向相同，但影響較小。

(4)蜂格護坡對堤防抗滑穩定系數具有顯著的提升作用，水平分層設置優于貼坡設施。