河道沖刷對(duì)堤防穩(wěn)定性的影響

鄒雨良，肖夢(mèng)芬

(1.惠州市華禹水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 51800；2.深圳市鹽田區(qū)工程質(zhì)量安全監(jiān)督中心，廣東 深圳 51800)

1 概述

堤防工程的安全對(duì)河道防洪、防治水土流失具有重要的作用。在河道治理工程中，堤防是常用的工程建筑物[1- 3]。因此，充分分析堤防結(jié)構(gòu)安全性是十分必要的。根據(jù)目前研究成果，影響堤防結(jié)構(gòu)安全的因素眾多，其中堤防結(jié)構(gòu)的自身安全、基礎(chǔ)埋置深度、地基土承載力是影響堤防穩(wěn)定的重要因素。然而，河道的沖刷作用在一定程度上沒(méi)得到足夠的重視，河道長(zhǎng)期的侵蝕、沖刷影響下，基礎(chǔ)掏蝕導(dǎo)致堤防結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，從而，造成河道堤防失穩(wěn)，導(dǎo)致嚴(yán)重后果[4- 7]。因此，在河道土質(zhì)易于侵蝕、沖刷區(qū)域，需要充分考慮河道沖刷作用的影響，合理設(shè)計(jì)堤防結(jié)構(gòu)和埋置深度，以保證堤防結(jié)構(gòu)的使用安全性。所采用的數(shù)值模擬方法是水利、巖土等工程領(lǐng)域較為常用的方法，建模簡(jiǎn)便、計(jì)算準(zhǔn)確，方法較為成熟[8- 10]。

2 工程概況

工程河道沖刷現(xiàn)象嚴(yán)重，每年汛期攜帶大量泥沙，造成了河道下游淤積現(xiàn)象極為嚴(yán)重。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，最大沖刷深度超過(guò)7.0m。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，河道設(shè)計(jì)洪峰流量在243～629m3/s之間，為了對(duì)河道岸坡進(jìn)行治理，防治水土流失，保障岸坡穩(wěn)定性，考慮采用混凝土擋土墻+漿砌石護(hù)坡的形式進(jìn)行治理。從安全方面考慮，堤防結(jié)構(gòu)采取梯形斷面，設(shè)計(jì)堤頂寬度4.5m，堤高3.5m(最高洪水位2.8m)，堤防背水側(cè)坡比為1∶0.2，臨水側(cè)垂直，初步設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深度2.5m。考慮到土質(zhì)疏松區(qū)域河道沖刷深度較大，在河道侵蝕沖刷影響下，河道堤防結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性情況可能發(fā)生變化。因此，在河道治理中需要充分考慮沖刷深度的影響。

3 堤身荷載情況及計(jì)算模型建立

有限元數(shù)值模擬方法，是水利、巖土等工程領(lǐng)域常用的研究方法。在邊坡穩(wěn)定性、大壩穩(wěn)定性、河道滲流、堤防穩(wěn)定性等研究中應(yīng)用較多。FLAC3D是一種常用的數(shù)值分析軟件，該軟件主要是基于拉格朗日算法，利用有限差分法分析、模擬材料的變形、應(yīng)力等特征，具有模型建立方法簡(jiǎn)便、計(jì)算效率高、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)。

采用數(shù)值模擬方法對(duì)工程進(jìn)行模擬分析時(shí)，確定合理的邊界條件尤為重要。

3.1 堤防施工過(guò)程及荷載分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況可以得知，堤防工程砂土厚度是填土厚度的2倍以上。在水庫(kù)建設(shè)中，水庫(kù)荷載對(duì)原始土層的初始位置應(yīng)力、應(yīng)變均產(chǎn)生了一定的影響。堤防地基巖土體均經(jīng)歷了長(zhǎng)期的沉降、壓密。因此，在數(shù)值模擬模型建立時(shí)，需要充分考慮初始應(yīng)力條件，以真實(shí)反映堤防結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性情況。

在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，受到填土初始應(yīng)力條件的影響，需要充分考慮過(guò)載應(yīng)力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。選擇沒(méi)有填土的過(guò)載應(yīng)力作為地基的初始位置應(yīng)力，并導(dǎo)出初始應(yīng)力條件，之后利用函數(shù)元素，讀取導(dǎo)出的初始位置應(yīng)力條件，以便獲取準(zhǔn)確的數(shù)值分析計(jì)算成果。

采用數(shù)值模擬分析方法需要綜合考慮施工過(guò)程，結(jié)合施工、使用過(guò)程將荷載分為以下幾種工況：①基礎(chǔ)覆蓋層施工；②擋土墻施工；③堤防施工完成，達(dá)到最高洪水位2.8m；④堤頂結(jié)構(gòu)及路基施工完成；⑤工程施工完成，達(dá)到最高洪水位2.8m。數(shù)值模擬計(jì)算工況見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算工況

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算模型建立

數(shù)值模擬模型建立以堤身上游垂直堤防基礎(chǔ)交線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，Y軸向下游為正方向，X軸向河道右岸為正方。數(shù)值模擬計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 典型斷面網(wǎng)格圖

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

4.1 不同沖刷深度豎向變形位移分析

堤防基礎(chǔ)沖刷深度達(dá)到4.0m時(shí)的位移等值線圖如圖2所示。從圖2中可知，在最高洪水位條件下最大位移分布在堤防結(jié)構(gòu)頂部與岸坡巖土體接觸的區(qū)域，最大位移變形量約為0.04m，形成大變形的原因主要是水壓力的影響。隨著河道沖刷深度不斷增大，達(dá)到5.4m時(shí)位移等值線圖如圖3所示，在最高洪水位情況下，最大位移位置與沖刷深度為4.0m時(shí)基本一致，最大位移量為0.1m。隨著沖刷深度不斷增大，超過(guò)6.0m時(shí)，有限元計(jì)算無(wú)法收斂，則可表明堤防結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞。

圖2 河道沖刷深度4m時(shí)堤身斷面豎向位移等值線圖/m

圖3 河道沖刷深度 5.4m 時(shí)堤身斷面豎向位移等值線圖/m

4.2 不同沖刷深度水平變形位移分析

在河道沖刷深度為4.0、5.4m時(shí)，堤防結(jié)構(gòu)水平方向位移量如圖4—5所示。從圖中可得知，河道沖刷深度到4.0m時(shí)，最高洪水位條件下，堤防結(jié)構(gòu)向上游方向最大水平位移量為0.034m；向下游方向最大位移量為0.002m；而河道沖刷深度到5.4m時(shí)，最高洪水位時(shí)，堤防結(jié)構(gòu)向上游方向水平位移最大位移值為0.1m；向下游方向最大位移值為 0.005m。

圖4 河道沖刷深度4m時(shí)堤身斷面水平位移等值線圖/m

圖5 河道沖刷深度5.4m時(shí)堤身斷面水平位移等值線圖/m

4.3 應(yīng)力分析

不同河道沖刷深度，堤防結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖6—7所示。在最高洪水位情況下，不同河道沖刷深度，最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)出由下至上逐漸減小的現(xiàn)象，整體應(yīng)力分布規(guī)律性較強(qiáng)。當(dāng)河道沖刷深度為4.0m時(shí)，最大主應(yīng)力約為370.0kPa，最小主應(yīng)力約為200.0kPa；隨著沖刷深度增大至5.4m，最大主應(yīng)力值約為570kPa，最小主應(yīng)力值約為195.0kPa。

圖6 堤身斷面最大主應(yīng)力云圖

圖7 堤身斷面最小主應(yīng)力云圖

由于堤防結(jié)構(gòu)采用混凝土擋墻和漿砌石面板，混凝土和漿砌石材料的變形模量與周邊巖土體材料差異較大，混凝土擋土墻阻止了河道岸坡巖土體的變形，與漿砌石面板出現(xiàn)了較為復(fù)雜的應(yīng)力情況。隨著沖刷深度不斷增大，應(yīng)力不斷集中，同時(shí)在水壓力作用下，當(dāng)沖刷深度達(dá)到5.4m時(shí)，混凝土擋土墻底部出現(xiàn)了拉應(yīng)力，當(dāng)沖刷深度進(jìn)一步增大時(shí)，混凝土擋土墻則易出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

5 結(jié)論

為了考慮河道沖刷深度對(duì)堤防穩(wěn)定性的影響，對(duì)不同沖刷深度條件下堤防結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)沖刷深度為4.0m時(shí)，堤防結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性良好；隨著沖刷深度不斷增大，堤防結(jié)構(gòu)堤基區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力，當(dāng)沖刷深度達(dá)到6.0m時(shí)，堤防穩(wěn)定性計(jì)算無(wú)法收斂，表明堤防結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)破壞。在實(shí)際工程中，應(yīng)充分考慮河道沖刷深度對(duì)堤防結(jié)構(gòu)的影響，合理設(shè)計(jì)，以保證工程的穩(wěn)定、安全。