河道堤防加固技術研究

何 華

（安慶市長江河道管理處一分處，安徽 安慶 246003）

河道安全防護是河道管理的重要內容，對沿河兩岸居民的生產生活具有十分重要的意義。在河道安全中，堤防的堅固性是確保河水不外溢蔓延的關鍵工作[1]。對大多數河道工程來說，河道兩側土質因為受到河水浸泡會出現含水量高、土質變軟和強度削弱等問題，導致建筑在其上的堤防工程安全系數降低[2]。如果不及時進行加固處理，軟土化的土質會進一步流變或者觸變，出現較大幅度地沉降，降低堤防邊坡穩定性、安全性。這種情況進一步加劇，不僅會干擾堤防的正常使用，嚴重時可能出現堤防垮塌、河水外溢等嚴重事故[3]。因此，對堤防失穩機理進行分析，有針對性地進行加固，可以保障堤防工程安全。從現有的堤防加固技術來看，更多地需要對現場河道兩側土樣進行檢測，通過土質分析后設計加固方案。通過加固方案的樣例試驗，對其中的不足進行反復修正，最終確定現場實際采用的方案。該文以排水板堆載進行加固處理，進而對其加固增強機理進行分析，并通過有限元仿真分析代替樣例方案測試。通過該文的工作可以為河道堤防加固提供借鑒。

1 河道堤防加固方案

河道堤防加固最關鍵的是提升地基及周圍土質強度。堤防地基土質尤其是靠河水內側，因為長期被侵泡，會形成淤泥、黏性較大的軟土性質，必須大幅度提升其強度，才能保證堤防穩固，保障安全。加固方法是加入粉土或回填土，從而減少土質結構中的含水量和土質黏性。但是從加固的過程來看，原黏性土質中的水分無法快速排出，同時在使用粉土和回填土的過程中，一方面要精準地控制比例，另一方面，無法大幅度提升強度。

針對上述問題，該文在傳統的粉土、回填土摻入加固的基礎上，以排水板插入作為加固骨架。因排水板為塑料材質，從而可以大幅度提升堤防強度，減少堤防地基的沉降。同時，排水板具有排水能力，在排水板上方施加壓力，可以進一步加速摻雜土質內水分排出，從而大大提升堤防加固處理的效率。

該文對河道堤防的加固方案如圖1 所示。圖1 中，小方塊A 為整個堤防地基土質中的潛層土質分布，小方塊B 為整個堤防地基土質中的中層土質分布，小方塊C 為整個堤防地基土質中的深層土質分布。

圖1 河道堤防的加固方案

從圖1 中可以看出，每條排水板垂直插入河道堤防地基的土質中，各條排水板按照一定的間隔均勻排布。圖1 是排水板插入的正視圖。實際上，地基內插入的排水板是多層。排水板上方，堆加負載、施加預壓力，從而可以將地基土質中的水分快速排出。

為了保證多層排水板排布的均勻性，可以按照規則的幾何形狀進行排布，例如正六邊形形狀或者正方形形狀，如圖2 所示。

圖2 垂直方向上多層排布的排水板

如圖2（a）所示，7 個排水板垂直插入地基土質中，其中1 個排水板位于正六邊形的中心，另外6 個排水板分別位于正六邊形的各個角點。如圖2（b）所示，9 個排水板垂直插入地基土質中，將整個加固小區域劃分為9 個小方格，每個小方格內插入1 條排水板。采用上述2 種方案，通過均勻排布，可以達到更好的加固效果。

在多排水板均勻分布的情況下，再連同上部施加的壓力，使堤防地基土質中的水分不斷向中心聚集。這樣，每個排水板都具有排水的功能，對圖2（a）中的正六邊形排布來說，其排水性能的直徑可以按照下面的公式（1）計算。

式中：d為一個排水板的等效排水直徑；S為一個排水板的等效排水面積。對圖2（b）中的正方形排布來說，其排水性能的直徑與公式（1）的計算方法相同。

2 河道堤防加固機理

在該文的河道堤防加固方案設計中，以排水板結合頂部預應力的做法同時考慮了堤防基土的排水問題和加固問題。排水板為塑料材質，其具有比淤泥、松散土質更高的強度，再施加頂部壓力，可以起到快速沉降的作用，使河道堤防的基土在更短的時間內完成固結，這也是提高強度的一種措施。在基土中插入排水板，除了起到加固作用以外，還相當于形成了一個個獨立的排水通道，再通過頂部壓力的作用，土質中的水分快速流出，具有更好的排水效果。

在上述方案中，應力之間的關系如公式（2）所示。

式中：σ為河道地基基土中的總應力的大小；σ'為河道地基基土中的有效應力的大小；u為河道地基基土中的孔隙水壓力的大小。

對公式（2）所示的應力關系進一步進行微分處理，可以得到公式（3）。

式中：σ為河道地基基土中的總應力的大小；σ'為河道地基基土中的有效應力的大小；u為河道地基基土中的孔隙水壓力的大小；dσ為河道地基基土中的總應力的微分形式； dσ'為河道地基基土中的有效應力的微分形式；du為河道地基基土中的孔隙水壓力的微分形式。

對應于上述的應力關系，該文采用俄排水板結合頂部施加壓力的方法，其核心操作為增大河道地基基土中的有效應力，從而使相對松散的基土土質快速固結，從而達到加固河道堤防的效果。根據公式（2）和公式（3）可知，要增大河道地基基土中的有效應力，可以采取2 種方式：1）增大河道地基基土中的總應力。2）減少河道地基基土中的孔隙水壓力。但是，基土土質一般很難再減少孔隙壓力，因為其孔隙壓力基本已經達到臨界狀態。在這種情況下，增大基土土質的總壓力是一種比較現實的做法。這也是該文在排水板上方施加壓力的原因，這樣可以間接達到增大基土土質總壓力的效果。

根據應力關系的微分效果，在開始階段，當河道堤防基土土質總壓力增量為dσ時，土質中的水分尚未排出，基土土質總壓力的增量完全孔隙水應力的增加相對應。這時，雖然河道堤防基土土質總壓力增加，但是道堤防基土土質的有效應力并未增加。隨著道堤防基土土質總壓力持續增加，土質中的水分被排出，孔隙水壓力無法增加并維持在相對穩定的狀態。這時，河道堤防基土土質總壓力完全對應于基土土質有效應力的增加，達到加固地基的目的。施加頂部壓力達到的應力變化效果如圖3 所示。

圖3 頂部施加壓力后的應力增加效果

如圖3 所示，當頂部施加壓力以后，河道堤防地基土質中的有效應力開始增大，最終增加量以及達到的新的有效應力數值可以從圖中2 個區域面積的變化得出。

3 河道堤防加固效果的有限元分析

在前面的工作中提出多層排水板均勻排布結合頂部施加壓力的加固方案，并對其加固機理進行分析。接下來的工作是驗證河道堤防的加固效果，這里采用有限元分析作為仿真工具。

使用有限元分析軟件對河道堤防加固效果的分析具有比較突出的優勢，主要包括以下4 個方面：1）采用有限元分析軟件，可以有針對性地設計土質模型，對土質結構、土質應力特性、土質應變情況、土質剪切膨脹情況和屈服變化來說，都有非常好的針對性。2）采用有限元分析軟件可以設計流體模型，該模型可以相應地表示河道堤防地基中孔隙的水壓力、滲流現象。3）有限元分析軟件，對土質結構中的分層次特征、層間接觸和層間滑移，都可以進行處理。4）有限元分析軟件對邊界條件、初始條件、載荷情況，都可以進行靈活設置。

在頂部施壓的過程中，河道堤防的基土土質會產生應變，其中的應變包括彈性變性產生的應變和塑性變形產生的應變，這些變化需要提交給有限元分析軟件，如公式（4）所示。

式中：ε為河道堤防的基土土質產生的總應變大小；εe為河道堤防的基土土質產生的彈性應變大小；εp為河道堤防的基土土質產生的塑性應變大小。其中，彈性應變是可以恢復的，塑性應變是不能恢復的。

公式（4）可以進一步寫成微分形式，如公式（5）所示。

式中：ε為河道堤防的基土土質產生的總應變大小；εe為河道堤防的基土土質產生的彈性應變大小；εp為河道堤防的基土土質產生的塑性應變大小；dε為河道堤防的基土土質產生的總應變的微分形式；εe為河道堤防的基土土質產生的彈性應變的微分形式；εp為河道堤防的基土土質產生的塑性應變的微分形式。

在上述各種準備條件后，使用有限元分析軟件建立河道堤防的仿真模型，如圖4 所示。

圖4 河道堤防的仿真模型

圖4為有限元分析模型，河道堤防在垂直方向上的位移或位移趨勢，受到堤防底部和堤防兩側邊界限制；河道堤防在水平方向上的位移或位移趨勢，受到堤防兩側邊界限制；河道堤防的頂部為自由狀態，沒有限制條件，但因重力作用也不會產生向上的位移或位移趨勢；在整個河道堤防中，原有的載荷呈現均勻分布。

經過該文的方法進行加固處理后，河道堤防的應力變化情況，如圖5 所示。

圖5 加固后河道堤防的應力變化

從圖5 可以看出，除了對土質內的排水板進行加固外，還在頂部施加壓力加速堤防加固的過程。因為頂部壓力的增大，堤防內部壓力出現了明顯的變化，所以起到了加固的作用，也達到沉降排水的目的。

進一步比較加固前后河道堤防的整體安全系數，加固前的堤防安全系數為1.015，加固后的堤防安全系數達到了1.578，堤防安全性有了非常明顯的提升。

4 結論

河道堤防是水利工程的重要組成部分，其穩定性和安全性關系到正常生產和生活秩序。該文針對河道堤防加固問題，提出了1 種多層排水板均勻排布結合頂部施加壓力的加固方案。在這種方案中，排水板可以采用六邊形排布或正方形排布，在提高加固效果的同時還能排出土質中的水分。通過頂部施加壓力，可以進一步加速土質中的水分排出，提升土質沉降和加固的效率。通過加固機理分析可知，該文提出的加固方案可以提升土質內的有效應力，從而達到加固的效果。使用有限元分析軟件進行仿真試驗，證實了采用該文方法對河道堤防進行加固處理，可以提升河道堤防的安全性。