嘉陵江航道丁壩穩(wěn)定性分析

唐 彬

（重慶交通大學河海學院，重慶，400074）

0 引言

丁壩作為航道整治工程中重要的整治建筑物，其穩(wěn)定性直接影響到航道整治工程的成敗[1]。目前用于航道整治的丁壩多為散拋石結(jié)構(gòu)[2]，受水流頂沖影響，水毀比較嚴重[3，4]。根據(jù)目前的研究，丁壩水毀的主要原因有動力因素、人類活動因素、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及其他原因等[5]。喻濤等[6]對不同結(jié)構(gòu)形式的丁壩開展了試驗研究，得到了不同條件下丁壩的動水壓力分布規(guī)律，并分析了不同結(jié)構(gòu)形式的丁壩穩(wěn)定性；李浩然[7]把影響丁壩穩(wěn)定的因素作為影響指標提出了丁壩危險性評價方法。劉臨雄[8]結(jié)合實際工程對丁壩穩(wěn)定性做出了分析；李橙林[9]結(jié)合物理模型試驗開展了丁壩塊石穩(wěn)定性試驗研究，為丁壩穩(wěn)定性設(shè)計做出參考。相關(guān)工程經(jīng)驗、模型試驗和數(shù)值模擬在整治建筑物穩(wěn)定性計算和水毀機理研究方面做出了一定的貢獻，并取得了不錯的效果[10～15]。然而在對丁壩穩(wěn)定性計算方面由于《航道工程設(shè)計規(guī)范》[16]中沒有明確的規(guī)定，其設(shè)計主要是依靠設(shè)計人員的水平和經(jīng)驗。

本文在分析嘉陵江航道丁壩水毀原因及特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析建立了丁壩壩面塊石穩(wěn)定性模型和丁壩整體抗滑穩(wěn)定性計算模型。

1 丁壩水毀特征及原因分析

1.1 丁壩水毀特征

本次嘉陵江航道丁壩水毀主要原因為水力因素和河演因素。在對實際工程調(diào)查結(jié)果分析總結(jié)后得到丁壩破壞主要有以下幾個特點：首先丁壩損毀的主要原因是嘉陵江上游的連續(xù)持久的強降雨形成的洪水，造成經(jīng)過丁壩時斷面流速過大。再者由于建筑物壩身、壩根等部位的基礎(chǔ)和泥沙受到水流的沖刷和侵蝕作用，底部河床被淘空，建筑物在其自身重力作用下失穩(wěn)，造成建筑物的局部崩陷、塌落、移位。壩體護面在水流和漂浮物的沖擊下，以滑動和滾動的形式脫離原位，或從頂部開始逐層剝落。

根據(jù)已有資料的分析及整治建筑物維護情況統(tǒng)計，對于迎水坡，當河道來流突然增大時，水流受丁壩阻擋，迎水坡壩面承受不了水流的上舉力，形成迎水坡壩面掀翻。對于背水坡及壩面，根據(jù)相關(guān)研究，隨著丁壩上下游水位落差逐漸增大，翻壩水流特別是背水坡處流速很大，對壩面及下游河床形成沖刷，當這一落差達到一定程度之后，壩面及下游河床承受不了水流的沖擊力，最終造成壩面及背水坡的水毀，見圖1。

圖1 丁壩水毀狀態(tài)

1.2 丁壩水毀原因分析

1.2.1 急流沖擊

由于嘉陵江上游連日強降雨形成特大洪水，亭子口樞紐入庫流量達25 000m3/s超過50年一遇洪水。調(diào)查表明，在丁壩受洪水頂沖段流速接近6m/s，處于洪水主流區(qū)的丁壩受水流頂沖作用易發(fā)生水毀。

1.2.2 推移質(zhì)底沙作用

本次嘉陵江“7·11”大洪水期間嘉陵江河流水流急、推移質(zhì)底沙強度大、粒徑粗、輸移時間持續(xù)長。其導致與建筑物相互作用就會十分劇烈。根據(jù)項目組實地調(diào)查，一些整治建筑物上下游都存在大量砂卵石推擠，推移質(zhì)導致壩體面層磨蝕，同時推移質(zhì)在輸移過程中擠壓壩面鋼絲籠導致其移位。

1.2.3 河道中漂浮物的沖擊導致丁壩壩面破壞

經(jīng)過多方實地調(diào)查反映，在洪水期，水流流速較大，工程河段流速達5m/s以上，河道中的漂浮物，尤其是船舶、樹木、漂木等大型漂浮物會對整治建筑物造成較大的沖擊。部分漂浮物掛在鋼絲籠壩面，造成表面鋼絲籠之間的鑲合及相互掩護的體系被拉伸破壞，形成缺口，之后缺口擴展沖深，壩體斷裂，破壞越來越嚴重。

2 丁壩壩面塊石穩(wěn)定性模型

由于丁壩常見的是散拋石結(jié)構(gòu)，分析壩面上不同塊石的起動以及穩(wěn)定性對丁壩整體穩(wěn)定性有著直接聯(lián)系。因此，根據(jù)丁壩在水流作用下壩體的不同受力情況，將丁壩壩體分為壩身迎水坡、壩身背水坡、壩頭迎水坡、壩頭背水坡以及壩頂五個部分。作用在塊石上的力可大致分為水流作用下的拖拽力和上舉力，根據(jù)不同部位塊石的受力情況建立穩(wěn)定性模型。各部位的穩(wěn)定性計算表達式及受力圖如下：

壩身迎水坡：

壩身背水坡：

壩頭迎水坡：

壩頭背水坡：

壩頂位置：

式中，W為塊石的重量，kg；α為丁壩斜面坡度，°；θ為水流力與上舉力之間的夾角，°；FL為水流上舉力，kN；FD為水流拖拽力，kN；f為塊石之間的摩擦系數(shù)。

根據(jù)壩面塊石在不同流速下計算了其穩(wěn)定性，分別確定了不同部位塊石的穩(wěn)定性系數(shù)，其計算結(jié)果見圖2。從穩(wěn)定性系數(shù)可以得到壩體不同部位的穩(wěn)定性依次為壩身迎水坡、壩頭迎水坡、壩頭背水坡、壩頂以及壩身背水坡。

2.1 丁壩穩(wěn)定性模型的建立

根據(jù)《航道工程設(shè)計規(guī)范》[16]中關(guān)于整治建筑物穩(wěn)定驗算的荷載要求，本文將作用在丁壩上的荷載主要分為水流推力、水流力、浮托力、波浪力。丁壩自重作為抗滑力來提供丁壩的穩(wěn)定性，以滿足不同水流條件下的沖刷作用。根據(jù)拋石丁壩在航道整治工程中應用，結(jié)合實際工程建立以梯形斷面的拋石丁壩穩(wěn)定性模型。模型見圖3。

圖2 壩面塊石安全系數(shù)對比圖

圖3 丁壩穩(wěn)定性計算模型

根據(jù)丁壩所處的自然環(huán)境以及水流條件得到作用在丁壩壩面上的荷載以及計算表達式。

水流推力：

水流對阻流面的沖擊力：

水流對護面的上舉力：

波浪作用力：

根據(jù)受力平衡推導了丁壩整體穩(wěn)定性設(shè)計表達式：

式中，G為丁壩自重，kg；α為丁壩的幾何坡度，°；Pt為河流坡度產(chǎn)生的水流力，kN；Pc為作用在丁壩壩面的水流推力，kN；Ps為作用在壩面的上舉力，kN；Pb為波浪荷載，kN。

2.2 穩(wěn)定性計算對比分析

為了驗證推導的穩(wěn)定性計算公式的可靠性，以嘉陵江航道金溪庫區(qū)2號丁壩為例進行穩(wěn)定性對比分析。采用四川交通設(shè)計院《施工圖設(shè)計，第三冊整治工程2.4節(jié)，建筑物穩(wěn)定分析與計算》（2016年10月）[14]所采用的穩(wěn)定性計算公式。選取具有代表性的金溪庫區(qū)2號丁壩與銜接處的斷面0+193為計算斷面，壩頂寬3m，迎水坡 1：1.5，背水坡 1：2.5，壩體自重根據(jù)不同的水位條件計算，壩體與河床的摩擦系數(shù)f取0.45。選取特征水位和假定不同流速進行計算。參照推導的丁壩整體穩(wěn)定性計算模型給出了穩(wěn)定性的計算公式，結(jié)合給出的具體參數(shù)計算得到了丁壩在不同水位條件下丁壩的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。不同水深和流速條件下計算的對比分析見圖4和圖5。

從設(shè)計院的公式[17]計算結(jié)果來看，在最低通航水位、壩頂水位時且流速不小于2m/s且不超過3m/s時，壩體抗滑穩(wěn)定性較好。在水位高過壩頂1m且流速不超過3m/s時，壩體抗滑穩(wěn)定性出現(xiàn)顯然的下降但能夠保持穩(wěn)定，但安全儲備已不足；當流速超4m/s時，壩體將失穩(wěn)。在水位超過壩頂2m且流速不超過3m/s時，壩體還能保持穩(wěn)定，但是安全儲備已將耗盡；流速超4m/s，壩體將失穩(wěn)的可能性很大。在高水位時（如“7.11”洪水水位），即使流速較低（2m/s），壩體已可能失穩(wěn)；流速增加，壩體失穩(wěn)可能性隨之大大增加，壩體在較大流速情況下被沖毀的可能性相當大。從新推導的穩(wěn)定性設(shè)計表達式可以看出，計算的結(jié)果大致趨勢于設(shè)計院推薦計算結(jié)果，但是新設(shè)計表達式在不同工況下丁壩的安全穩(wěn)定性系數(shù)都要比設(shè)計院推薦的公式要低，安全穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)負數(shù)。主要原因是在設(shè)計表達式中考慮了水流對壩體的浮托力以及波浪作用等。

圖4 不同水深條件下安全系數(shù)對比圖

圖5 不同流量條件下安全系數(shù)對比圖

3 結(jié)論

（1）從建立的丁壩壩面塊石穩(wěn)定性以及計算結(jié)果可以得到不同部位的穩(wěn)定性，依次為壩面壩身迎水坡、壩頭迎水坡、壩頭背水坡、壩頂以及壩身背水坡。

（2）通過對不同水深條件下不同流速的對比分析，可以得到丁壩整體穩(wěn)定性相對于設(shè)計院計算結(jié)果都要小，這為丁壩穩(wěn)定性設(shè)計提供了更多的可靠性。

（3）不論是設(shè)計院的計算公式還是自己推導的計算公式都可以看到丁壩的穩(wěn)定性安全系數(shù)都是隨著水流速度的增加在逐漸減小，則主要原因是水流對丁壩不論是水流推力還是浮托力都是對丁壩起到?jīng)_擊的主要外荷載。

（4）在流速為2m/s和3m/s的情況下，對不同水深條件下丁壩的安全穩(wěn)定系數(shù)做了對比分析，可以看到水深對丁壩的安全穩(wěn)定系數(shù)影響比例小于流速對丁壩穩(wěn)定性的影響。