于金源

(辽宁省河库管理服务中心(省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

辽宁省内堤防有5级以上堤防11879km，其中大部分建成时间大于20年，最近一次河道堤防整治为2006年竣工的绕阳河河道整治工程，距今已有14年。由于早期建设的河道堤防防洪标准低，且在多年运行过程中养护不足，因此存在不同程度的堤身裂缝破损、断面或堤顶高程不足、防渗能力较差等问题，对堤防的安全运行带来了隐患[1]。目前辽宁地区主要采用铺设干(浆)砌石或混凝土面板等传统方式进行加固，以上方式虽然提高了堤防稳定性，但由于改变了原生地貌，对河道周边的生态环境造成了不良影响。近年来各类生态护坡形式逐渐兴起，这类护坡在加固堤防提升其稳定性的同时兼顾生态效益，逐渐得到了广泛应用。其中，蜂格护坡作为生态护坡中的典型代表，通过柔性材料及结构与原有的土体、植被连接为统一的整体，与堤防加高培厚等工程措施的结合，可以有效提高堤防的抗滑稳定性，被水利部列入2019年水利先进实用技术重点推广应用名单。

文章以小凌河(老虎沟—六家子段)防洪治理工程为例，利用有限元分析方法，采用控制变量法对优化坡比、加高、培厚、蜂格护坡等加固措施对堤防的稳定性影响进行分析，以期为辽宁西北地区的堤防加固提供借鉴。

1 计算原理与方法

1.1 计算原理

目前水工设计计算中，多采用Mohr-Coulomb定理，该定理能够较为贴合实际地体现土的力学性质，同时，因其参数简明且获取难度小被广泛应用于土力学计算：

τ-(σ×tanφ+c)≤0

(1)

Mohr-Coulomb定理较好体现了土体第一主应力和第三主应力的作用结果，但对第二主应力对土体的作用情况表现地并不充分。基于此，Drucker和Prager对Mohr-Coulomb定理进行了修正，提出了Drucker-Prager准则，即

(2)

修正后的准则计入了第二主应力的影响，使结果更加贴合实际，且更适用于堤防实际应用时存在河流静水压力的工况[2]，因此本文选取Drucker-Prager准则采用ANSYS有限元软件对小凌河(老虎沟—六家子段)防洪治理工程进行模拟计算。

1.2 有限元模型构建

选用ANSYS12.0平面单元PLANE42单元对实体结构进行模拟[3]。基本假设如下：

(1)各项材料的弹性力学指标均为常数，且各向同性。

(2)各项材料均为理想弹塑性体。

(3)地基底面为水平和竖直均有限。

(4)地基两侧水平方向有限，竖直方向无限。

1.3 抗滑稳定安全系数计算

采用瑞典圆弧法对堤坡抗滑稳定安全系数进行分析，各项参数通过土工试验、现场勘探及查阅资料获得。堤防抗滑稳定性计算在施工期、水位降落期、稳定渗流期略有不同，文章仅针对稳定渗流期进行计算[4]。

(3)

式中，b—条块宽度，m；W—条块重力，W=W1+W2γWZb，kN；W1—在堤坡外水位以上的条块重力，kN；W2—在堤坡外水位以下的条块重力，kN；Z—堤坡外水位高出条块底面中点的距离，m；u—稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙压力，kPa；β—条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，(°)；γW—水的重度，kN/m3；c′—土的抗剪强度指标，kN/m3；φ′—有效内摩擦角，(°)。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

小凌河(老虎沟—六家子段)防洪治理工程治理范围是元宝山水库溢洪道下游至老陆家村段，总长6.138km，项目区老陆家村断面以上流域面积为282km2，河道平均比降为6.12‰，左岸Z0-055.0—Z3+005.0为六家子镇段，防洪标准为20年一遇，堤防工程级别为4级[5]，堤防堤身高4.0m，堤顶宽约3m，各项材料特性见表1。治理段现有堤防局部不满足防洪标准，且护脚冲刷严重，大部分已经裸露在外，已无法起到防护作用，且原有防护措施未充分考虑生态效益，现状局部段无法满足该区域社会经济发展的需求，因此选取该段进行防护工程加固措施分析。

表1 拟分析堤防段各项材料参数

2.2 各项措施安全性分析

2.2.1拟分析堤防现状

根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》[6]，4级堤防工程正常运用情况下安全系数最小为1.15。堤防拟采取的加固措施为坡比优化、加高、培厚、设置蜂格护坡[7-9]，采用控制变量法对各加固措施逐一进行分析。

2.2.2坡比对抗滑稳定安全系数的影响

拟分析堤防初始断面坡比为1∶3，令堤防高度不变，改变坡比进行计算。计算结果如图1所示。

图1 不同坡比的抗滑稳定安全系数

从图1可以得出，堤防抗滑稳定安全系数与坡比成负相关，在坡比接近1∶1时达到抗滑稳定安全系数下限，此时堤防断面面积最小，与初始断面相比减少2/3，经济效益最好。

2.2.3堤防高度对抗滑稳定安全系数的影响

令堤防坡比和底宽度不变，自现有堤顶对堤防进行加高。现有堤顶宽度为3m，堤防坡比为1∶3，加高最高高度为1m，以0.08m为间隔单位进行计算。计算结果如图2所示。

图2 不同加高高度的抗滑稳定安全系数

由图2得出，因变量安全系数与自变量变化方向相反，当堤防加高1m时，堤防整体抗滑稳定安全系数降低24%，堤防高度的变化对安全系数的影响较明显。

2.2.4培厚厚度对抗滑稳定安全系数的影响

令堤防坡比和高度不变，自现有堤防后坡进行培厚，对不同培厚厚度下的抗滑稳定安全系数进行计算。考虑征地及生态保护因素，培厚厚度上限取2m。计算结果如图3所示。

由图3可得，随着堤防后坡厚度增大，在达到上限2m时，其提升幅度为1.34%，对抗滑稳定安全系数影响较小。

图3 不同培厚厚度的抗滑稳定安全系数

2.2.5蜂格护坡对抗滑稳定安全系数的影响

(1)护坡厚度的确定

蜂格护坡厚度计算目前尚无规范，根据厂家提供的推荐计算方法结合实际工程经验进行确定[10]：

当tanα≥1/3时，

(4)

当tanα<1/3时，

(5)

式中，h—设计波浪爬高，m；θ—河岸倾角，(°)；n—雷诺护垫填石孔隙率，%；Δm—水下材料的相对单位重度，Δm=(rs-rw)/rw。

通过计算，得出蜂格护坡推荐厚度为16cm。

(2)蜂格护坡不同设置方式对抗滑稳定安全系数的影响

结合构造要求及当地需求等情况综合考虑，该项目采取单层蜂格护坡。令堤防坡比和高度不变，对蜂格护坡水平分层设置、贴坡设置，如图4—5所示，及不设置3种方式下的抗滑稳定系数进行Ansys有限元模拟计算，计算结果见表2。

表2 蜂格护坡不同设置方式工况下的堤防整体抗滑稳定安全系数

图4 蜂格护坡水平分层设置方式

图5 蜂格护坡贴坡设置方式

由表2可知，水平分层与贴坡设置蜂格护坡工况下的堤防抗滑稳定系数分别提高了36.4%和18.2%，蜂格护坡的设置显著提升了堤防的稳定性。

3 结语

本文针对辽宁西北地区堤防存在的安全隐患问题，采用有限元分析方法，对优化坡比、加高、培厚、设置蜂格护坡等加固方式对堤防整体抗滑稳定系数的影响进行了研究，得出以下结论。

(1)堤防抗滑稳定安全系数与坡比成负相关，在坡比接近1∶1时达到抗滑稳定安全系数下限，此时堤防断面面积最小，与初始断面相比减少2/3，经济效益最好。

(2)堤防抗滑稳定安全系数与堤防高度变化方向相反，且影响较为明显。

(3)堤防抗滑稳定安全系数与堤防后坡厚度变化方向相同，但影响较小。

(4)蜂格护坡对堤防抗滑稳定系数具有显著的提升作用，水平分层设置优于贴坡设施。