河堤生態加筋擋墻受孔隙水影響的靜水力學試驗研究

陳 濤

(遼寧澤峰水利工程規劃設計有限公司，遼寧 沈陽 110003)

河道生態治理近些年來成為流域綜合治理的重要措施，也成為當前研究的熱點問題[1]。河道堤防早期綜合治理考慮生態措施較少，而隨著當前流域生態綜合治理理念的提出，河道堤防生態綜合治理要求越來越高，近些年來生態加筋擋墻既能充分考慮河道堤防生態功能又能滿足防洪穩定要求，在國內一些河道堤防綜合治理工程中得到應用[2-8]。一些研究成果[9-15]均表明河道堤防加筋擋墻受孔隙水靜力壓強影響明顯，需要結合物理模型試驗對其河道堤防生態加筋擋墻受孔隙水靜力影響進行分析，從而提高生態加筋擋墻設計的科學性和合理性。為提高遼寧地區河道堤防生態治理設計的科學性，采用靜力學試驗的方式對河堤生態加筋擋墻受孔隙水的影響進行分析。研究成果對于河道生態治理設計具有參考價值。

1 孔隙水靜力影響計算方法

生態加筋擋墻靜力影響主要采用土壓力系數來進行計算：

(1)

式中，Ka—靜水壓力系數；θ和φ—生態筋擋墻水平夾角和內摩擦角，(°)。當柵格垂向距離在6m以下第i層生態加筋擋墻的土層壓力系數計算方程為：

(2)

式中，Ki和Kj′—不同層級下受孔隙水影響的壓力系數；Zi—第i根生態加筋擋墻縱向深度，m。當柵格垂向距離在6m以上第i層生態加筋擋墻的土層壓力系數計算方程為：

(3)

生態加筋擋墻面板的垂向壓力在土層靜力學計算基礎上的計算方程為：

σzi=Kiγzi

(4)

生態加筋擋墻垂向壓力計算方程為：

(5)

式中，q—加筋柵格單位強度，KPa；Lc—生態擋墻荷載單元加筋寬度，m；Lci—擴散性荷載在垂向方向上的荷載，KPa。水平方向生態加筋擋墻壓力計算方程為：

∑σEi=σzi+σai

(6)

其中，σEi—總壓力在水平方向值，KPa；不同柵格垂直方向拉力計算方程為：

Ti=∑σEi·Sy

(7)

其中，Ti—總壓力在垂直方向值，KPa。生態加筋擋墻在垂直距離上的抗拔強度計算方程為：

(8)

式中，Tpi—抗拔強度垂直方向值，KPa；f′—在摩擦系數在不同土層之間的值；bi—柵格之間的間距，m；Lai—錨固柵格的長度，m。生態加筋擋墻的靜力穩定性采用理論模型進行驗證計算：

Tpi>γ0γR1γQ1Ti

(9)

其中，γ0—強度系數；γR1—加筋擋墻強度折減系數；γQ1—壓力荷載單位系數。生態加筋擋墻受孔隙水靜力影響計算方程為：

TK>γ0γR1γfγR2Ti

(10)

式中，γR2—加筋擋墻中柵格調節抗拉系數；γf—單元柵格調節抗拉系數。

2 試驗結果

2.1 試驗方案

堤防生態加筋擋墻受孔隙水影響主要從穩定性和充水破壞兩種試驗方式進行力學特性的分析，從生態加筋擋墻不同縱向深度進行其穩定性的分析。生態加筋擋墻靜水壓力采用充水試驗進行不同充水方式下的穩定性分析，并對不同鋼筋規格下的透水程度進行透水試驗分析。

2.2 生態加筋擋墻受孔隙水影響的穩定性分析

結合靜力學模型對生態加筋擋墻不同縱向深度下的穩定系數進行試驗分析，試驗結果見表1。

表1 生態加筋擋墻在不同縱向深度下受孔隙水影響試驗分析結果

從生態加筋擋墻在不同縱向深度下受孔隙水影響試驗分析結果可看出，生態加筋擋墻隨著縱向深度的遞增其穩定系數總體在0.45～0.65之間，具有相對較為穩定的變幅區間。穩定系數當縱向深度增加到1.62m深度后逐步趨于0.45的穩定變化，河道堤防迎水面靜水壓力逐步趨于穩定值。此外從試驗結果還可看出，生態加筋擋墻受孔隙水影響其靜力隨著縱向深度變化逐步遞減，這也是其受孔隙水靜力影響穩定系數趨于穩定變幅的主要原因，生態加筋擋墻的穩定性在縱向深度達到1.62后逐步趨于峰值變化。

2.3 生態加筋擋墻在不同充水方式下破壞試驗

在生態加筋擋墻在不同縱向深度穩定性試驗分析的基礎上，對生態加筋擋墻在不同充分方式下的破壞程度進行試驗分析，試驗結果見表2。

表2 生態加筋擋墻在不同充水試驗方式下的破壞程度

從生態加筋擋墻在不同充水試驗方式下的破壞程度試驗結果可看出，河道堤防在相同壓力條件下在充水方式下的孔隙水靜水壓力破壞程度高于非充水方式，在水平和垂直方向上生態加筋擋墻在不同充分方式下均呈現顯著遞增變化，生態加筋擋墻在半充水和充滿水兩種方式下的破壞度峰值σmax均要高于40MPa，生態加筋擋墻在非充水方式下隨著靜水壓力的不斷增加其峰值破壞程度逐步遞增。

2.4 生態加筋擋墻在透水試驗

在生態加筋擋墻受孔隙水靜力影響和充水試驗的基礎上，對其加筋擋墻的透水試驗進行分析，結果見表3。

表3 生態加筋擋墻不同鋼筋規格下的透水試驗結果

從生態加筋擋墻不同鋼筋規格下的透水試驗結果可看出，隨著靜水壓力水頭的增加，生態加筋擋墻不同鋼筋規格下透水率遞增較為顯著，不同方向靜水壓力隨著生態加筋擋墻鋼筋直徑的遞增而顯著增加，不同鋼筋規格下的透水率也逐步遞增。此外從試驗結果還可看出，在相同孔隙水水頭下，生態加筋擋墻的透水率隨著鋼筋直徑的遞增而呈現顯著增加變化。

2.5 生態加筋擋墻在不同充水方式下的破壞強度峰值試驗

對生態加筋擋墻不同充水方式下的破壞度峰值進行有效性試驗，各充分方式下的試驗結果見表4—5。

表4 生態加筋擋墻破壞度峰值在非充水方式下的有效試驗值

表5 生態加筋擋墻破壞度峰值在充水方式下的有效試驗值

從生態加筋擋墻破壞度峰值在充水和非充水方式下的有效試驗值可看出，河道堤防生態加筋擋墻在充水和非充水方式下有效破壞度峰值具有較大差異性，有效破壞度峰值在非充水方式下隨著孔隙壓力增加而逐步增加，河道生態加筋擋墻在充水方式下破壞度峰值在隨著孔隙水靜水壓力影響其變幅要明顯高于非充水方式。

3 結論

(1)河道生態加筋擋墻堤防穩定性受孔隙水壓力影響不明顯，主要受充水方式影響較大，當其加筋擋墻迎水面板達到設計縱深后其堤防穩定系數不再變化。

(2)河道堤防生態加筋擋墻半充水和全充水方式下有效破壞度峰值變化差異加大，在施工設計中，應盡量選擇半充水方式對其有效破壞度峰進行靜力試驗。

(3)河道堤防生態加筋擋墻透水率受鋼筋直徑大小影響顯著，建議選擇鋼筋直徑在20mm～25mm作為首選直徑，從而降低其透水率。