杨 平

（安庆市长江河道管理处一分处，安徽 安庆 246001）

长江是我国最大的河流，也是覆盖面积最大的水系，对我国农业生产、水利灌溉、地质结构和气象水文情况，都有十分重要的影响[1]。因此对长江进行有效治理，能保障提防安全，保证长江发挥积极作用。通过观察长江河道安庆段的实际情况发现，江水长期浸润和持续水压作用会导致河道堤防尤其是基底土质成为淤泥软土，影响河道堤防安全。淤泥软土含有大量的水分，从而使堤防基底部分强度大幅下降，进而导致堤防整体结构滑移和沉降[2]。其中，滑移会改变堤防的原有位置，导致防水错位。而沉降会使堤防高度下降，导致江水漫溢、引发洪灾。因此，加固长江河道堤防是保障长江水系安全的关键[3]。但是，采用一般的方法加固淤泥软土效果不好，并且加固慢、加固过程中会流变或触变。该文结合仿真分析，对一种新的加固方法的实际应用效果进行检验。

1 堤防的排水板竖向加固方法

长江河道的堤防稳定性，主要受堤防基础周围尤其是基础下的软土土质特性影响，根据需要加固的堤防区段不同，要具体分析。该文以实验地的软土土质结构为研究对象，提出有针对性的加固方案。实验地堤防各层的土质结构特征，见表1。

表1 实验地堤防各层的土质结构特征

从表1可以看出，实验地所在区段河道堤防的稳定性，主要由3层土质构成的土质结构决定，从上到下分别是堤防构成土层、重粉土质层和淤泥土质层。从各项参数对比情况看，3层土质结构差异较明显。其中，堤防土质层承载压力最大，为150kPa，同时湿密度、饱和密度也都最高，渗透系数最低。由此可见，顶层的堤防土层安全性和稳定性比较高。与堤防土质层相比，第二层重粉土质层的湿密度、饱和密度、渗透系数和顶层相差不大，但承载压力明显下降，只有110kPa。在3层土质结构中，底层的淤泥土质层各项参数最差，承载压力只有60kPa，这是影响堤防结构安全的主要原因。

因此，要达到堤防结构加固效果，关键是处理第三层淤泥土质层。该文以多组排水板竖向插入为总体方案，堤防加固的效果示意如图1所示。

图1 基于多组排水板竖向插入的堤防加固效果

如图1所示，实验地3个土层的厚度差异较明显，其中，中间层的重粉层最薄，底层的淤泥层最厚。该文的加固方案主要是对淤泥层进行加固处理。基本加固元件采用塑料排水板，以多组组合垂直插入淤泥层，各排水板等间距排列，用横向连接件连接固定相邻排水板。排水板是塑料材质，强度高于淤泥土质，按多组等间隔的规律性排列，进一步提高了淤泥层的强度，从而可以加固整个堤防结构。塑料排水板的主要特征参数，见表2。

表2 排水板的的主要特征参数

2 堤防加固机理与模型构建

在早期阶段，用样件试制对实际情况进行模拟，进而做出修正和改进，以此验证堤防加固的效果。但是单纯的样件试制可能无法达到预期的效果，进而影响实际的测试周期和加固工期。随着计算机辅助设计技术领域飞速发展，三维仿真和分析软件成为验证堤防加固效果最好的方法。

在三维仿真堤防加固前，要理清堤防加固的深层次机理。根据土质增量压缩理论，加固堤防各层土质结构，也就是岩土力学分析中的土质弹性和塑性分析模型。在土质结构发生弹性和塑性变形的过程中，产生的两类形变共同构成总形变，如公式（1）所示。

式中：e为土质结构在加固过程中的总变形；eT为土质结构在加固过程中的弹性变形；eS为土质结构在加固过程中的塑性变形。

如果将土质结构发生形变看做是微元级别的变化，那么公式（1）可以改写为公式（2）。

式中：de为土质结构在加固过程中的总变形微元；deT为土质结构在加固过程中的弹性变形微元；deS为土质结构在加固过程中的塑性变形微元。

对加固过程中堤防的结构排布进行三维建模。设置假设条件如下：1）假定堤防结构的土层土质结构性质相同，并且各层、各截面和各区域都呈线性变化。堤防结构的空间变化可以简化为平面变化，更有利于分析。2）在堤防结构加固前后，各层土质内的液态水流动，都遵循达西定律。3）在堤防结构加固前后，各层土质的渗透系数是一个不变的常数。4）在堤防结构加固前后和测试过程中，地下水位保持稳定。堤防加固后结构的三维模型如图2所示。

图2 仿真环境下堤防加固结构的平面建模

从图2可以看出，在仿真环境下，堤防加固模型最上方是堤防土质层，重粉层位于其下，厚度较薄，因此无法有效观测。再下面是排水板层，即原来的淤泥层加固后的效果，再下面是基地板下的土壤。

3 堤防加固效果的仿真分析

在三维仿真环境下，对该文提出的长江河道堤防加固技术的效果进行验证。将Adaqus作为三维分析工具。Adaqus软件平台是岩土工程领域常用的三维仿真软件，可以对多种材料进行单元建模和有限元分析，包括金属材料、橡胶材料、复合材料、混凝土材料、高分子材料和岩土材料等。

在堤防加固仿真分析中应用Adaqus软件平台，有以下3个方面的技术优势：Adaqus软件平台能真实反映土质结构的特性，通过Adaqus-Coulomb建模、Adaqus-Drucker建模、Adaqus-Prager建模、Adaqus-Cam建模和Adaqus-Clay建模等，可以更准确地反映土质结构的屈服极限和剪切特性；堤防结构中的岩土土质，均为空间受力的三相体。要使其真正符合三相体的力学特征，必须要对内部应力进行分析；堤防结构中的岩土土质，各层结构和各截面间都存在因接触产生的非常密切的项目作用。在接触分析和脱离接触分析中，Adaqus软件平台适用性更好。

该文采用Adaqus软件平台，对长江河道堤防加固效果进行仿真分析。观察采用多组排水板加固后，河道堤防的水平滑移情况。如果加固效果不好，随着时间增长，河道堤防就会整体滑移，滑移量直接反映水平方向上的加固效果。在Adaqus软件平台下，加固后的水平滑移云图，分别如图3和图4所示。

图3 Adaqus软件平台下加固前的堤防水平滑移云图

图4 Adaqus软件平台下加固100d后的堤防水平滑移云图

由图3可知，在河道堤防执行多组排水板加固前，两侧区域滑移量较大，并且堤防工程中间也有较大的滑移区域，由此说明：堤防基底的淤泥土质导致渗流和滑移，堤防工程在水平方向上不稳定。

由图4可知，河道堤防执行多组排水板加固100d后，两侧区域虽然滑移量较大，但堤防工程中间的滑移区域已经明显缩小，堤防工程整体已经没有明显的滑移区域。由此说明：虽然堤防基底的淤泥土质导致了渗流和滑移，但是在利用多组排水板加固后，堤防工程在水平方向上的滑移量明显降低，堤防过程具备水平稳定性。

进一步观察堤防工程加固后，在垂直方向上的稳定性，堤防工程的沉降变化曲线如图5所示。

图5 堤防工程加固后的沉降变化曲线

从图5的曲线变化情况可以看出，在加固后的0d～100d，堤防工程的沉降值变化比较明显，100d内沉降约为350mm。随着沉降时间逐渐增加，加固效果日益明显，虽然堤防工程垂直方向还会有沉降，但是沉降速度已经明显降低、逐渐趋于平缓。

4 结论

长江是中国最重要的河流，也是覆盖中国面积最大的水系，与农业生产和生态环境安全紧密相连。因此，对长江水道沿路堤防工程进行加固非常重要。在该文的研究工作中，根据堤防结构设计了多组排水板等间隔排布加固的技术方案，并通过纵向和横向的关联处理，进一步提升堤防工程的结构稳定性。对堤防工程的加固效果进行数学层面的理论分析，并利用三维仿真软件对其进行建模和测试。测试的试验结果证明，利用该文的加固方法，堤防工程结构稳定性更好，在持续受压状态下产生的滑移量较小。加固100d后，堤防工程的沉降减少、沉降速度降低。