基于Abaqus-Midas GTS的流固耦合下提孜那莆河莎車段堤防岸坡靜力特征研究

孫夫建

(新疆莎車縣水利局，新疆 莎車 844700)

堤防工程乃是水利工程中河道整治的重點(diǎn)[1-2]，其運(yùn)營可靠性關(guān)乎著河道水資源輸送及防洪安全，研究堤防工程的安全穩(wěn)定離不開堤防岸坡穩(wěn)定性分析[3-4]。針對堤防岸坡工程，開展流固耦合場研究，對推動(dòng)堤防整治具有重要參考價(jià)值。黃健華[5]、張倩[6]從堤防區(qū)段滲流場考慮，探討了不同設(shè)計(jì)方案下堤防的水力特征參數(shù)變化，有利于堤防工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，蔡峰[7]、甘小艷等[8]、蔡忍[4]從堤防岸坡護(hù)坡方式考慮，研究了生態(tài)護(hù)坡技術(shù)以及不同類型護(hù)坡技術(shù)的對比方案，綜合評價(jià)適用于岸坡安全穩(wěn)定性的護(hù)坡方案。而針對堤防岸坡在靜、動(dòng)力場響應(yīng)特征，采用ANSYS、FLAC 3D等仿真平臺開展了岸坡靜力荷載與地震動(dòng)荷載作用下[9-11]，其應(yīng)力、位移響應(yīng)特征，為工程建設(shè)加固等提供了依據(jù)。本文針對提孜那莆河莎車段堤防岸坡耦合有跨河橋梁支座，在流固耦合的研究基礎(chǔ)下，探討了岸坡在不同滲流工況下位移與應(yīng)力特征，為堤防建設(shè)提供參考。

1 工程概況

莎車縣莎車段防洪治理工程位于提孜那甫河左岸莎車具何什坎特鎮(zhèn)境內(nèi)，建設(shè)防洪堤長度4.1 km，樁號118+750～122+850，全長3.5 km，該防洪堤頂寬度為4.0 m，建設(shè)有硬化路面作為交通樞紐。莎車段堤防迎水側(cè)與背水側(cè)坡度均為1/2.5，采用生態(tài)護(hù)坡與格賓石籠結(jié)合形式對防洪堤固坡保水，確保堤身水土流失量不超過安全允許值，為確保格賓石籠結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，按照間距50 m標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置有厚度為0.5 m的石籠擋墻，插入堤面深度為0.8 m，而格賓石籠自身厚度為0.4 m，堤底設(shè)置有護(hù)砌結(jié)構(gòu)，延伸長度約8 m，在植被鋪設(shè)之下設(shè)置有防滲土工布和0.3 m厚的砂礫石防滲墊層，減少堤身滲流活動(dòng)對堤面護(hù)坡體系的影響。全區(qū)段堤防重點(diǎn)區(qū)域設(shè)置有加筋土格柵擋墻，確保堤防運(yùn)營可靠性，所設(shè)置的擋墻結(jié)構(gòu)墻后土壓力不超過15 kPa，無顯著滑移面，特別是在莎車段堤防下游，堤防最大變形量與區(qū)段內(nèi)流速均滿足穩(wěn)定性要求，水文監(jiān)測表明，最大洪峰工況下，堤身迎水側(cè)最大流速不超過1.2 m/s。根據(jù)對莎車段堤防分析，在樁號119+350～119+770區(qū)段內(nèi)存在有橫跨橋梁，在跨河橋梁兩端的堤防工程與其他區(qū)段內(nèi)基本類似，但其坡度有所差異，背水側(cè)坡度為1/2，堤頂較之其他區(qū)段堤防高度增大了15%，另在堤頂、底部位處分別設(shè)置有防浪墻與防滲墻，確保預(yù)應(yīng)力跨河橋梁與堤防工程靜力與滲流安全。為探討莎車段堤防加固工程重點(diǎn)區(qū)段安全穩(wěn)定性，本文認(rèn)為應(yīng)重點(diǎn)探討跨橋橋梁等交叉工程區(qū)域，故筆者以該橋梁所在堤防段左岸岸坡穩(wěn)定性開展分析，并以實(shí)際工程中流固耦合狀態(tài)下作為研究基礎(chǔ)。

2 計(jì)算模擬

根據(jù)對工程設(shè)計(jì)分析，對莎車段重點(diǎn)堤防段岸坡開展建模分析，其中樁號119+370區(qū)段處岸坡幾何模型簡化如圖1所示，設(shè)計(jì)水位取河道常水位，為16.5 m，而最高水位為洪峰水位，取21.5 m。幾何模型中堤防高度為22.0 m，河床高程較之堤防差了60%左右，堤頂寬度為4.5 m。幾何模型中土層劃分成三層，最上層為粉土，厚度約為6～8 m，粒徑以0.2～2.0 mm為主，壓實(shí)度較高，中部為砂礫土，松散性較大，沉降變形最高，粒徑以8.0～10.0 mm為主，沿著河床至堤底分布，總厚度約為3～4 m，最下層為粉質(zhì)黏土，含水量最高，局部沉降變形較大，也是跨河橋梁拱座所在持力層。計(jì)算模型也是以上述巖土層室內(nèi)土工試驗(yàn)實(shí)測物理力學(xué)參數(shù)值設(shè)定。

圖1 岸坡幾何模型簡化圖

采用Abaqus平臺建立跨河橋梁支座岸坡模型。該模型中包括有堤防頂部及變坡度平臺，將渲染模型導(dǎo)入至Midas GTS計(jì)算平臺中[12-13]，經(jīng)網(wǎng)格劃分獲得計(jì)算模型。計(jì)算模型中劃分網(wǎng)格得到88 264個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)69 268個(gè)，各網(wǎng)格單元均滿足力學(xué)本構(gòu)方程及滲流模塊。模型施加荷載包括結(jié)構(gòu)自重、跨河橋梁支座自重及靜水壓力等，模型X～Z三正向分別取河道下游向、橋梁右跨向及結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力向。

3 穩(wěn)態(tài)滲流下靜力特征

3.1 設(shè)計(jì)水位

根據(jù)對設(shè)計(jì)水位下含跨河橋梁支座岸坡穩(wěn)定性計(jì)算，獲得岸坡穩(wěn)定滲流場中孔隙水壓力及位移分布特征，如圖2所示。從圖中可看出，河道設(shè)計(jì)水位下，堤防岸坡內(nèi)孔隙水壓力最大為1.54 MPa，處于堤底部位，達(dá)飽和狀態(tài)，其中橋梁支座所在區(qū)處于負(fù)孔隙水壓力，為非飽和狀態(tài)，即設(shè)計(jì)水位下支座所在岸坡區(qū)域處于安全滲流狀態(tài)，此時(shí)岸坡浸潤線低于支座所在高程面。從孔隙水壓力分布可知，從堤底至浸潤線面處，孔隙水壓力遞增，各區(qū)間孔隙水壓力分布呈直條狀。從位移分布特征可知，全岸坡內(nèi)位移分布基本均處于靜定狀態(tài)，僅在橋梁支座上部區(qū)域存在一定位移變形，分布為0.29～0.87 mm，最大位移位于堤頂處。分析認(rèn)為，堤頂至橋梁支座區(qū)域內(nèi)變形主要受橋梁支座基礎(chǔ)沉降變形引起，導(dǎo)致上覆土層有所擾動(dòng)位移。

圖2 岸坡穩(wěn)定滲流場特征(設(shè)計(jì)水位)

圖3為計(jì)算獲得岸坡靜力場中大、小主應(yīng)力分布特征。從圖中可知，大主應(yīng)力分布中拉應(yīng)力區(qū)域存在于支座下坡面及堤頂兩側(cè)局部區(qū)，最大拉應(yīng)力為0.14 MPa，全坡身以受壓為主，坡內(nèi)壓應(yīng)力分布為0.99～4.11 MPa，不論是拉應(yīng)力抑或是壓應(yīng)力，在設(shè)計(jì)水位下應(yīng)力特征均處于較安全。

圖3 主應(yīng)力分布特征

由于岸坡與支座接觸面為堤防最危險(xiǎn)區(qū)，故而本文給出跨河橋梁支座接觸面上應(yīng)力分布特征與其張開度分布特征，如圖4所示。分析圖中可知，堤防岸坡與支座接觸面上不存在張拉應(yīng)力，均為受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為1.07 MPa，位于支座梁上；而岸坡上支座位移呈扇形發(fā)散傳播，最大位移位于支座向下坡面上，達(dá)0.66 mm。綜合設(shè)計(jì)水位下靜力特征可知跨河橋梁支座岸坡穩(wěn)定性較佳。

圖4 接觸面上靜力特征

3.2 洪峰水位

根據(jù)對靜力場計(jì)算可知，河道正常蓄水運(yùn)營期安全性較佳，而洪峰水位時(shí)其安全穩(wěn)定性也勢必需要考慮在內(nèi)，圖5為岸坡洪峰水位下孔隙水壓力分布特征。從圖中可知，即使是洪峰水位，坡內(nèi)孔隙水壓力水平仍較小，最大孔隙水壓力并未超過1.54 MPa，特別是支座所在區(qū)域，仍為負(fù)孔壓，即仍處于非飽和狀態(tài)，孔隙水活動(dòng)較穩(wěn)定。河道水位增大至洪峰，孔隙水壓力分布仍與設(shè)計(jì)水位有所一致，呈直條狀區(qū)塊分布。

圖5 孔隙水壓力分布特征(洪峰水位)

根據(jù)強(qiáng)度折減法計(jì)算，獲得洪峰水位下岸坡上不同特征點(diǎn)處位移隨安全折減系數(shù)變化，如圖6所示。從圖中可知，在安全折減系數(shù)位于一定區(qū)間時(shí)，岸坡位移量值持續(xù)處于0狀態(tài)，而各特征點(diǎn)均在安全系數(shù)超過1.5～2.0后，出現(xiàn)位移，如特征點(diǎn)④在安全系數(shù)2.0時(shí)位移量為0.86，而安全系數(shù)2.50、2.75、2.86下，其位移量值增長4.5倍、16.5倍、40.1倍，同樣在特征點(diǎn)①、⑨、⑩中均是如此，且以特征點(diǎn)⑩位移量值增長最為敏感。從位移對比來看，當(dāng)特征點(diǎn)愈靠近堤防坡頂，其位移值愈大，在相同安全系數(shù)下，以特征點(diǎn)①位移最高，而中部的特征點(diǎn)④與下部的特征點(diǎn)⑨較之點(diǎn)①分別降低了1.5%～87.0%、39.9%～96.2%。綜合分析，堤防岸坡愈靠近堤頂，其安全可靠性愈差，且洪峰水位下整體岸坡無位移下安全系數(shù)可達(dá)1.75。

圖6 特征點(diǎn)處位移變化

4 非穩(wěn)定滲流下靜力特征

4.1 水位陡降

河道水位陡降時(shí)，常引起河道堤防不穩(wěn)定性，故本文基于洪峰水位在60 d內(nèi)降至死水位11.5 m，分別具有三個(gè)階段20 d、40 d、60 d，采用穩(wěn)態(tài)法計(jì)算水位陡降過程中靜力特征。

圖7為水位陡降期岸坡內(nèi)孔隙水壓力分布特征，從圖中可看出，隨水位下降期增大，岸坡上浸潤線所在平面位置也逐步降低，而坡體內(nèi)非飽和區(qū)域逐步擴(kuò)大，此現(xiàn)象在局部坡體放大區(qū)可看出此現(xiàn)象。

圖7 岸坡內(nèi)孔隙水壓力分布(水位陡降期)

根據(jù)水位陡降期安全折減系數(shù)計(jì)算，獲得典型特征點(diǎn)在不同陡降期位移與安全系數(shù)關(guān)系，如圖8。在陡降期60 d時(shí)，各特征點(diǎn)位移分布與穩(wěn)定滲流期基本類似，以距離堤頂更近的特征點(diǎn)更為危險(xiǎn)，安全系數(shù)更較低。與之同時(shí)，在陡降過程期20 d時(shí)，安全系數(shù)與位移關(guān)系有所差異，在特征點(diǎn)①安全系數(shù)每增長0.25下，其位移增幅呈多梯次變化，如在安全系數(shù)1.5～2.2期內(nèi)，其位移平均增幅為32.2%，在安全系數(shù)2.20～2.33與2.35～2.65內(nèi)，位移的平均增幅分別為38.8%、9.8%。另對比穩(wěn)定滲流期岸坡位移，非穩(wěn)定滲流狀態(tài)下位移響應(yīng)值較之穩(wěn)定期更大。

圖8 陡降期位移與安全系數(shù)關(guān)系

圖9為岸坡與跨河橋梁支座接觸面上應(yīng)力分布特征。分析表明，水位陡降期應(yīng)力分布與穩(wěn)定滲流狀態(tài)下基本類似，且在各陡降期對接觸面應(yīng)力無影響，表明岸坡內(nèi)應(yīng)力特征受水位陡降影響較小。

圖9 接觸面上應(yīng)力分布

4.2 水位陡升

水位陡升期水位過程乃是從死水位至洪峰水位的過程，周期也為60 d。由于非穩(wěn)定滲流狀態(tài)下，堤防岸坡受影響的主要為位移特征與其孔隙水壓力，故水位陡升期重點(diǎn)分析此兩計(jì)算結(jié)果，圖10為陡升期孔隙水壓力分布。

圖10 陡升期孔隙水壓力分布

與穩(wěn)定滲流期孔隙水壓力分布不同的是，各區(qū)間段孔隙水壓力在陡升期呈上凸?fàn)?，直至達(dá)到洪峰水位，陡升全過程中浸潤線逐步升高，支座上部區(qū)域的非飽和面減小[14-15]，但孔隙水壓力量值受影響較小。

根據(jù)對位移采用折減系數(shù)計(jì)算，獲得特征點(diǎn)處位移在各陡降期表現(xiàn)，如圖11所示。分析認(rèn)為，非穩(wěn)定滲流期內(nèi)位移降幅仍呈多梯段式狀態(tài)，在安全系數(shù)1.30～2.10與2.10～2.35內(nèi)，特征點(diǎn)④位移的平均增幅分別為33.4%、20.2%，且在陡升期40 d時(shí)(相同水位17 m)下，整體上位移增幅低于水位陡降期，表明水位陡升期位移影響敏感度弱于陡降期。

圖11 位移變化(陡降期40 d)

5 結(jié) 論

(1)穩(wěn)定滲流設(shè)計(jì)水位下，堤底孔隙水壓力最大，岸坡浸潤線低于支座；岸坡上位移僅在支座上部區(qū)域發(fā)生；支座與岸坡接觸面不存在張拉應(yīng)力，以受壓為主，而岸坡拉應(yīng)力僅存在于支座下坡面及堤頂兩側(cè)，最大拉應(yīng)力為0.14 MPa。

(2)穩(wěn)定滲流洪峰水位下，岸坡支座所在區(qū)域仍處于非飽和狀態(tài)，孔隙水壓力呈直條狀分布；岸坡特征點(diǎn)愈靠近堤防坡頂，其位移值愈大，而特征點(diǎn)在安全系數(shù)超過1.5～2.0后，才出現(xiàn)位移。

(3)非穩(wěn)定滲流水位陡降下，隨下降期增大，岸坡浸潤線降低；陡降過程期內(nèi)位移增幅具有多梯次變化特征，且整體位移響應(yīng)值高于穩(wěn)定滲流；岸坡應(yīng)力特征受水位陡降影響較小。

(4)非穩(wěn)定滲流水位陡升下，孔隙水壓力在陡升期呈上凸?fàn)?，直至洪峰水位恢?fù)直條狀；水位陡升期也存在位移降幅的多梯段變化特征，且水位陡升期位移影響敏感度弱于陡降期。