堤防加固仿真技術與應用研究

楊 平

（安慶市長江河道管理處一分處，安徽 安慶 246001）

長江是我國最大的河流，也是覆蓋面積最大的水系，對我國農業生產、水利灌溉、地質結構和氣象水文情況，都有十分重要的影響[1]。因此對長江進行有效治理，能保障提防安全，保證長江發揮積極作用。通過觀察長江河道安慶段的實際情況發現，江水長期浸潤和持續水壓作用會導致河道堤防尤其是基底土質成為淤泥軟土，影響河道堤防安全。淤泥軟土含有大量的水分，從而使堤防基底部分強度大幅下降，進而導致堤防整體結構滑移和沉降[2]。其中，滑移會改變堤防的原有位置，導致防水錯位。而沉降會使堤防高度下降，導致江水漫溢、引發洪災。因此，加固長江河道堤防是保障長江水系安全的關鍵[3]。但是，采用一般的方法加固淤泥軟土效果不好，并且加固慢、加固過程中會流變或觸變。該文結合仿真分析，對一種新的加固方法的實際應用效果進行檢驗。

1 堤防的排水板豎向加固方法

長江河道的堤防穩定性，主要受堤防基礎周圍尤其是基礎下的軟土土質特性影響，根據需要加固的堤防區段不同，要具體分析。該文以實驗地的軟土土質結構為研究對象，提出有針對性的加固方案。實驗地堤防各層的土質結構特征，見表1。

表1 實驗地堤防各層的土質結構特征

從表1可以看出，實驗地所在區段河道堤防的穩定性，主要由3層土質構成的土質結構決定，從上到下分別是堤防構成土層、重粉土質層和淤泥土質層。從各項參數對比情況看，3層土質結構差異較明顯。其中，堤防土質層承載壓力最大，為150kPa，同時濕密度、飽和密度也都最高，滲透系數最低。由此可見，頂層的堤防土層安全性和穩定性比較高。與堤防土質層相比，第二層重粉土質層的濕密度、飽和密度、滲透系數和頂層相差不大，但承載壓力明顯下降，只有110kPa。在3層土質結構中，底層的淤泥土質層各項參數最差，承載壓力只有60kPa，這是影響堤防結構安全的主要原因。

因此，要達到堤防結構加固效果，關鍵是處理第三層淤泥土質層。該文以多組排水板豎向插入為總體方案，堤防加固的效果示意如圖1所示。

圖1 基于多組排水板豎向插入的堤防加固效果

如圖1所示，實驗地3個土層的厚度差異較明顯，其中，中間層的重粉層最薄，底層的淤泥層最厚。該文的加固方案主要是對淤泥層進行加固處理。基本加固元件采用塑料排水板，以多組組合垂直插入淤泥層，各排水板等間距排列，用橫向連接件連接固定相鄰排水板。排水板是塑料材質，強度高于淤泥土質，按多組等間隔的規律性排列，進一步提高了淤泥層的強度，從而可以加固整個堤防結構。塑料排水板的主要特征參數，見表2。

表2 排水板的的主要特征參數

2 堤防加固機理與模型構建

在早期階段，用樣件試制對實際情況進行模擬，進而做出修正和改進，以此驗證堤防加固的效果。但是單純的樣件試制可能無法達到預期的效果，進而影響實際的測試周期和加固工期。隨著計算機輔助設計技術領域飛速發展，三維仿真和分析軟件成為驗證堤防加固效果最好的方法。

在三維仿真堤防加固前，要理清堤防加固的深層次機理。根據土質增量壓縮理論，加固堤防各層土質結構，也就是巖土力學分析中的土質彈性和塑性分析模型。在土質結構發生彈性和塑性變形的過程中，產生的兩類形變共同構成總形變，如公式（1）所示。

式中：e為土質結構在加固過程中的總變形；eT為土質結構在加固過程中的彈性變形；eS為土質結構在加固過程中的塑性變形。

如果將土質結構發生形變看做是微元級別的變化，那么公式（1）可以改寫為公式（2）。

式中：de為土質結構在加固過程中的總變形微元；deT為土質結構在加固過程中的彈性變形微元；deS為土質結構在加固過程中的塑性變形微元。

對加固過程中堤防的結構排布進行三維建模。設置假設條件如下：1）假定堤防結構的土層土質結構性質相同，并且各層、各截面和各區域都呈線性變化。堤防結構的空間變化可以簡化為平面變化，更有利于分析。2）在堤防結構加固前后，各層土質內的液態水流動，都遵循達西定律。3）在堤防結構加固前后，各層土質的滲透系數是一個不變的常數。4）在堤防結構加固前后和測試過程中，地下水位保持穩定。堤防加固后結構的三維模型如圖2所示。

圖2 仿真環境下堤防加固結構的平面建模

從圖2可以看出，在仿真環境下，堤防加固模型最上方是堤防土質層，重粉層位于其下，厚度較薄，因此無法有效觀測。再下面是排水板層，即原來的淤泥層加固后的效果，再下面是基地板下的土壤。

3 堤防加固效果的仿真分析

在三維仿真環境下，對該文提出的長江河道堤防加固技術的效果進行驗證。將Adaqus作為三維分析工具。Adaqus軟件平臺是巖土工程領域常用的三維仿真軟件，可以對多種材料進行單元建模和有限元分析，包括金屬材料、橡膠材料、復合材料、混凝土材料、高分子材料和巖土材料等。

在堤防加固仿真分析中應用Adaqus軟件平臺，有以下3個方面的技術優勢：Adaqus軟件平臺能真實反映土質結構的特性，通過Adaqus-Coulomb建模、Adaqus-Drucker建模、Adaqus-Prager建模、Adaqus-Cam建模和Adaqus-Clay建模等，可以更準確地反映土質結構的屈服極限和剪切特性；堤防結構中的巖土土質，均為空間受力的三相體。要使其真正符合三相體的力學特征，必須要對內部應力進行分析；堤防結構中的巖土土質，各層結構和各截面間都存在因接觸產生的非常密切的項目作用。在接觸分析和脫離接觸分析中，Adaqus軟件平臺適用性更好。

該文采用Adaqus軟件平臺，對長江河道堤防加固效果進行仿真分析。觀察采用多組排水板加固后，河道堤防的水平滑移情況。如果加固效果不好，隨著時間增長，河道堤防就會整體滑移，滑移量直接反映水平方向上的加固效果。在Adaqus軟件平臺下，加固后的水平滑移云圖，分別如圖3和圖4所示。

圖3 Adaqus軟件平臺下加固前的堤防水平滑移云圖

圖4 Adaqus軟件平臺下加固100d后的堤防水平滑移云圖

由圖3可知，在河道堤防執行多組排水板加固前，兩側區域滑移量較大，并且堤防工程中間也有較大的滑移區域，由此說明：堤防基底的淤泥土質導致滲流和滑移，堤防工程在水平方向上不穩定。

由圖4可知，河道堤防執行多組排水板加固100d后，兩側區域雖然滑移量較大，但堤防工程中間的滑移區域已經明顯縮小，堤防工程整體已經沒有明顯的滑移區域。由此說明：雖然堤防基底的淤泥土質導致了滲流和滑移，但是在利用多組排水板加固后，堤防工程在水平方向上的滑移量明顯降低，堤防過程具備水平穩定性。

進一步觀察堤防工程加固后，在垂直方向上的穩定性，堤防工程的沉降變化曲線如圖5所示。

圖5 堤防工程加固后的沉降變化曲線

從圖5的曲線變化情況可以看出，在加固后的0d～100d，堤防工程的沉降值變化比較明顯，100d內沉降約為350mm。隨著沉降時間逐漸增加，加固效果日益明顯，雖然堤防工程垂直方向還會有沉降，但是沉降速度已經明顯降低、逐漸趨于平緩。

4 結論

長江是中國最重要的河流，也是覆蓋中國面積最大的水系，與農業生產和生態環境安全緊密相連。因此，對長江水道沿路堤防工程進行加固非常重要。在該文的研究工作中，根據堤防結構設計了多組排水板等間隔排布加固的技術方案，并通過縱向和橫向的關聯處理，進一步提升堤防工程的結構穩定性。對堤防工程的加固效果進行數學層面的理論分析，并利用三維仿真軟件對其進行建模和測試。測試的試驗結果證明，利用該文的加固方法，堤防工程結構穩定性更好，在持續受壓狀態下產生的滑移量較小。加固100d后，堤防工程的沉降減少、沉降速度降低。