基于河道堤防蜂格护坡加固措施实例分析

姜大伟

(北票市水资源办公室，辽宁 北票 122100)

北票市地处辽西低山丘陵区，大凌河流域中游，经济基础差，对河道治理资金投入较少，因此每遇洪水冲毁林地、耕地的情况时有发生，特别是凉水河，住房及耕地大多分布于河道两岸，当地群众视此河为生命河。由于堤防建设时间早，运行年限长，防洪标准低，加之缺乏必要的运行维护，所以存在不同程度的防渗能力差、堤身裂缝破损、堤顶或断面高程不足等问题，堤防安全运行面临着严峻形势[1]。目前，北票市传统的堤防加固方式以混凝土面板或铺设干(浆)砌石为主，虽然能够增强其稳定性，但以上方式改变了河流的原生地貌，其自然生态环境受到极大的破坏。近年来，新型生态护坡凭借其独特的优势被广泛应用于防洪工程，这类护坡既能兼顾生态效益又能增强堤防稳定性，充分发挥堤防加固的作用。其中，最典型的生态护坡——蜂格护坡，可通过将原有的植被、土体与柔性结构及材料连接为统一整体，并结合堤防加高培厚等工程措施有效提升堤防的抗滑稳定性，2019年水利部将其列入重点推广应用水利先进实用技术名单。

文章以北票市凉水河子河为例，将控制变量法与有限元分析法相结合，探讨了堤防抗滑稳定安全性受蜂格护坡、培厚、加高、坡比优化等加固措施的影响，以期为提升凉水河流域防洪能力以及改善流域生态环境提供一定借鉴。

1 研究方法

1.1 基本原理

目前，水工设计计算的基础仍以Mo hr-Coulomb定理为主，因其参数获取难度小、原理简明、可真实体现土的力学性质等优势，在土力学计算中被广泛的应用，其表达式为：

τ-(σ×tanφ+c)≤0

(1)

实际上，Mo hr-Coulomb定理难以充分体现土地受第二主应力的作用情况，但能够客观反映第一、第三主应力对土体的作用结果。因此，对于Mo hr-Coulomb定理学者Drucker和Prager作出了适当的修正，并建立Drucker-Prager准则，其表达式为：

(2)

由于考虑了第二主应力的作用，修正后的准则使计算结果与实际情况更加贴近，对应用过程中堤防承受静水压力的情况具有更强的适用性[2]。鉴于此，文章对凉水河子河堤防工程，拟利用ANSYS有限元软件和Drucker-Ptager准则进行模拟分析。

1.2 有限元模型

对堤防工程实体结构利用ANSYS12.0软件PLANE42平面单元进行建模，模拟过程中应符合以下基本假设：①结构材料均符合各向同性，均为理想弹塑性体，力学指标均为常数；②地基底面的竖直向、水平向均有限，地基两侧的竖直向无限而水平向有限[3-4]。

1.3 抗滑稳定计算

堤防抗滑稳定安全系数利用瑞典圆弧法计算分析，通过查阅资料、现场勘探和土工试验等获取相应的参数[5]。在堤防稳定渗流期、水位降落期以及施工期，抗滑稳定性计算略有不同，结合防洪治理实际要求仅计算稳定渗流期的抗滑稳定安全系数A，其表达式为：

(3)

式中：c′为土体抗剪强度，kN/m3；b为条块宽度，m；β为通过条块底面中点半径与条块重力线之间的夹角，°；W1、W2为堤坡外水位以上和以下的条块重力，kN；u为堤基或堤身在稳定渗流期的孔隙压力，kPa；Z为条块底面重点至堤坡外水位之间的距离，m；γw为水的重度，kN/m3；φ′为有效内摩擦角，°。

2 实例应用

2.1 工程概况

北票市凉水河子河，河床宽浅，主河槽弯段较多，河势不稳定，摆动幅度较大，一旦发生洪水，势必造成灾害。多年来，河道沿岸乡镇政府始终致力于河道建设，整治河道，保家安民，在西官营镇唐杖子、北河套、郝松沟、松台沟、扣卜营、大巴里段，大三家乡大三家段共投资450万元，修建10a一遇防洪标准堤防工程5km，修建护岸工程5km，结构形式多为石笼顺坝，各项材料特性如表1。

表1 拟分析堤段的材料参数

治理河段现有堤防护脚冲刷严重，大部分裸露在外无法起到防护作用，局部堤段达不到防洪标准要求，并且原有防护结构多为混凝土面板或干砌石，河流生态系统受到一定的破坏，现状局部堤段已无法适应当地发展要求。因此，针对河道治理中存在的突出问题，应以防洪治理为核心，以保障沿河居民安全为根本，有效结合非工程和防洪工程措施，遵循经济合理、技术可行、因地制宜、重点提出的原则，统筹考虑沿河两岸、上下游之间的关系，确定近期建设治理目标，有步骤、有计划地推进重点地区中小河道治理。

2.2 安全性分析

对于正常运行情况下，4级堤防工程的安全系数按照《堤防工程设计规范》最小取1.15。以加高、培厚、坡比优化、设置蜂格护坡作为拟采取的堤防加固措施，对各项加固措施利用控制变量法逐一分析。

1)抗滑稳定安全系数与堤防高度之间的关系。设定堤防坡比为1∶3，堤顶宽度为3m，保持堤防底宽和坡比不变，自现有堤顶以0.08m为间隔单位，将堤防逐级加高至1.0m，建模分析结果如图1。

图1 抗滑稳定安全系数与加高高度的关系图

由图1可知，自变量变化方向与变量安全系数相反，堤防抗滑稳定安全系数在堤顶加高至1.0m时减少了25%，抗滑安全稳定系数受堤防高度变化的影响显著。

2)抗滑稳定安全系数与培厚厚度之间的关系。结合生态保护要求和征地条件限制，设定培厚最高值为2.0m，保持堤防高度和坡比不变培厚堤防后坡，并利用ANSYS12.0软件PLANE42平面单元建模分析，输出结果如图2所示。

由图2可知，抗滑稳定安全系数随堤防后坡厚度的增加而增大，培厚厚度达到2.0m上限时其上升幅度仅有1.35%，可见抗滑稳定安全系数受堤防培厚的影响较小。

3)抗滑稳定安全系数与坡比之间的关系。设定堤防断面的初始坡比为1∶3，改变坡比保持堤防高度不变，应用ANSYS12.0软件PLANE42平面单元建模分析，其输出结果如图3所示。

图2 抗滑稳定安全系数与培厚厚度的关系图

图3 抗滑稳定安全系数与坡比的关系图

由图3可知，堤防断面坡比与抗滑稳定安全系数负相关，抗滑稳定安全系数在坡比接近1∶1时有最小值，该条件下堤防断面相对于初始断面，整体面积减少了2/3，经济效益达到最优。

4)抗滑稳定安全系数与蜂格护坡之间的关系。现阶段，由于尚未形成统一的蜂格护坡厚度tm计算方法，故结合实际工程经验和厂家提供的推荐方法进行计算，具体如下：

其中，h为波浪设计爬高，m；n为雷诺护垫填石孔隙率，%；θ为河岸倾角，°；△m为相对单位的水下材料容重。采用以上公式，通过一系列运算确定推荐厚度tm为18cm。

为进一步探究抗滑稳定安全系数受蜂格护坡不同设置方式的影响，综合考虑实际需求和构造要求等情况拟选用单层蜂格护坡。设定堤防高度和坡比不变，采用蜂格帖坡设置、水平分层设置和不设置三种护坡方式，应用ANSYS12.0软件建模分析，模拟结果见表2。

表2 抗滑稳定安全系数与蜂格护坡方式间的关系

由表2可知，帖坡设置、水平分层设置与不设置相比，蜂格护坡的抗滑稳定系数提高了16.7%和35.3%。研究表明，设置蜂格护坡能够明显增强堤防的抗滑稳定系数。

3 结 论

为了解决北票市凉水河子河堤防安全隐患问题，采用有限元分析法深入探讨了堤防整体抗滑稳定系数受加高、培厚、坡比优化、设置蜂格护坡等加固措施的影响，主要结论如下：

1)堤防抗滑稳定安全系数在堤顶加高至1.0m时减少了25%，两者的变化方向相反，抗滑安全稳定系数受堤防高度变化的影响显著。

2)抗滑稳定安全系数随堤防后坡厚度的增加而增大，培厚厚度达到2.0m上限时其上升幅度仅有1.35%，抗滑稳定安全系数受堤防培厚的影响较小。

3)堤防断面坡比与抗滑稳定安全系数负相关，抗滑稳定安全系数在坡比接近1:1时有最小值，该条件下堤防断面相对于初始断面，整体面积减少了2/3，经济效益达到最优。

4)帖坡设置、水平分层设置与不设置相比，蜂格护坡的抗滑稳定系数提高了16.7%和35.3%。可见设置蜂格护坡能够明显增强堤防的抗滑稳定系数。