河道堤防加固技術(shù)研究

何 華

（安慶市長(zhǎng)江河道管理處一分處，安徽 安慶 246003）

河道安全防護(hù)是河道管理的重要內(nèi)容，對(duì)沿河兩岸居民的生產(chǎn)生活具有十分重要的意義。在河道安全中，堤防的堅(jiān)固性是確保河水不外溢蔓延的關(guān)鍵工作[1]。對(duì)大多數(shù)河道工程來(lái)說(shuō)，河道兩側(cè)土質(zhì)因?yàn)槭艿胶铀輹?huì)出現(xiàn)含水量高、土質(zhì)變軟和強(qiáng)度削弱等問(wèn)題，導(dǎo)致建筑在其上的堤防工程安全系數(shù)降低[2]。如果不及時(shí)進(jìn)行加固處理，軟土化的土質(zhì)會(huì)進(jìn)一步流變或者觸變，出現(xiàn)較大幅度地沉降，降低堤防邊坡穩(wěn)定性、安全性。這種情況進(jìn)一步加劇，不僅會(huì)干擾堤防的正常使用，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)堤防垮塌、河水外溢等嚴(yán)重事故[3]。因此，對(duì)堤防失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析，有針對(duì)性地進(jìn)行加固，可以保障堤防工程安全。從現(xiàn)有的堤防加固技術(shù)來(lái)看，更多地需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)河道兩側(cè)土樣進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)土質(zhì)分析后設(shè)計(jì)加固方案。通過(guò)加固方案的樣例試驗(yàn)，對(duì)其中的不足進(jìn)行反復(fù)修正，最終確定現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用的方案。該文以排水板堆載進(jìn)行加固處理，進(jìn)而對(duì)其加固增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行分析，并通過(guò)有限元仿真分析代替樣例方案測(cè)試。通過(guò)該文的工作可以為河道堤防加固提供借鑒。

1 河道堤防加固方案

河道堤防加固最關(guān)鍵的是提升地基及周?chē)临|(zhì)強(qiáng)度。堤防地基土質(zhì)尤其是靠河水內(nèi)側(cè)，因?yàn)殚L(zhǎng)期被侵泡，會(huì)形成淤泥、黏性較大的軟土性質(zhì)，必須大幅度提升其強(qiáng)度，才能保證堤防穩(wěn)固，保障安全。加固方法是加入粉土或回填土，從而減少土質(zhì)結(jié)構(gòu)中的含水量和土質(zhì)黏性。但是從加固的過(guò)程來(lái)看，原黏性土質(zhì)中的水分無(wú)法快速排出，同時(shí)在使用粉土和回填土的過(guò)程中，一方面要精準(zhǔn)地控制比例，另一方面，無(wú)法大幅度提升強(qiáng)度。

針對(duì)上述問(wèn)題，該文在傳統(tǒng)的粉土、回填土摻入加固的基礎(chǔ)上，以排水板插入作為加固骨架。因排水板為塑料材質(zhì)，從而可以大幅度提升堤防強(qiáng)度，減少堤防地基的沉降。同時(shí)，排水板具有排水能力，在排水板上方施加壓力，可以進(jìn)一步加速摻雜土質(zhì)內(nèi)水分排出，從而大大提升堤防加固處理的效率。

該文對(duì)河道堤防的加固方案如圖1 所示。圖1 中，小方塊A 為整個(gè)堤防地基土質(zhì)中的潛層土質(zhì)分布，小方塊B 為整個(gè)堤防地基土質(zhì)中的中層土質(zhì)分布，小方塊C 為整個(gè)堤防地基土質(zhì)中的深層土質(zhì)分布。

圖1 河道堤防的加固方案

從圖1 中可以看出，每條排水板垂直插入河道堤防地基的土質(zhì)中，各條排水板按照一定的間隔均勻排布。圖1 是排水板插入的正視圖。實(shí)際上，地基內(nèi)插入的排水板是多層。排水板上方，堆加負(fù)載、施加預(yù)壓力，從而可以將地基土質(zhì)中的水分快速排出。

為了保證多層排水板排布的均勻性，可以按照規(guī)則的幾何形狀進(jìn)行排布，例如正六邊形形狀或者正方形形狀，如圖2 所示。

圖2 垂直方向上多層排布的排水板

如圖2（a）所示，7 個(gè)排水板垂直插入地基土質(zhì)中，其中1 個(gè)排水板位于正六邊形的中心，另外6 個(gè)排水板分別位于正六邊形的各個(gè)角點(diǎn)。如圖2（b）所示，9 個(gè)排水板垂直插入地基土質(zhì)中，將整個(gè)加固小區(qū)域劃分為9 個(gè)小方格，每個(gè)小方格內(nèi)插入1 條排水板。采用上述2 種方案，通過(guò)均勻排布，可以達(dá)到更好的加固效果。

在多排水板均勻分布的情況下，再連同上部施加的壓力，使堤防地基土質(zhì)中的水分不斷向中心聚集。這樣，每個(gè)排水板都具有排水的功能，對(duì)圖2（a）中的正六邊形排布來(lái)說(shuō)，其排水性能的直徑可以按照下面的公式（1）計(jì)算。

式中：d為一個(gè)排水板的等效排水直徑；S為一個(gè)排水板的等效排水面積。對(duì)圖2（b）中的正方形排布來(lái)說(shuō)，其排水性能的直徑與公式（1）的計(jì)算方法相同。

2 河道堤防加固機(jī)理

在該文的河道堤防加固方案設(shè)計(jì)中，以排水板結(jié)合頂部預(yù)應(yīng)力的做法同時(shí)考慮了堤防基土的排水問(wèn)題和加固問(wèn)題。排水板為塑料材質(zhì)，其具有比淤泥、松散土質(zhì)更高的強(qiáng)度，再施加頂部壓力，可以起到快速沉降的作用，使河道堤防的基土在更短的時(shí)間內(nèi)完成固結(jié)，這也是提高強(qiáng)度的一種措施。在基土中插入排水板，除了起到加固作用以外，還相當(dāng)于形成了一個(gè)個(gè)獨(dú)立的排水通道，再通過(guò)頂部壓力的作用，土質(zhì)中的水分快速流出，具有更好的排水效果。

在上述方案中，應(yīng)力之間的關(guān)系如公式（2）所示。

式中：σ為河道地基基土中的總應(yīng)力的大??；σ'為河道地基基土中的有效應(yīng)力的大??；u為河道地基基土中的孔隙水壓力的大小。

對(duì)公式（2）所示的應(yīng)力關(guān)系進(jìn)一步進(jìn)行微分處理，可以得到公式（3）。

式中：σ為河道地基基土中的總應(yīng)力的大?。沪?為河道地基基土中的有效應(yīng)力的大?。籾為河道地基基土中的孔隙水壓力的大??；dσ為河道地基基土中的總應(yīng)力的微分形式； dσ'為河道地基基土中的有效應(yīng)力的微分形式；du為河道地基基土中的孔隙水壓力的微分形式。

對(duì)應(yīng)于上述的應(yīng)力關(guān)系，該文采用俄排水板結(jié)合頂部施加壓力的方法，其核心操作為增大河道地基基土中的有效應(yīng)力，從而使相對(duì)松散的基土土質(zhì)快速固結(jié)，從而達(dá)到加固河道堤防的效果。根據(jù)公式（2）和公式（3）可知，要增大河道地基基土中的有效應(yīng)力，可以采取2 種方式：1）增大河道地基基土中的總應(yīng)力。2）減少河道地基基土中的孔隙水壓力。但是，基土土質(zhì)一般很難再減少孔隙壓力，因?yàn)槠淇紫秹毫疽呀?jīng)達(dá)到臨界狀態(tài)。在這種情況下，增大基土土質(zhì)的總壓力是一種比較現(xiàn)實(shí)的做法。這也是該文在排水板上方施加壓力的原因，這樣可以間接達(dá)到增大基土土質(zhì)總壓力的效果。

根據(jù)應(yīng)力關(guān)系的微分效果，在開(kāi)始階段，當(dāng)河道堤防基土土質(zhì)總壓力增量為dσ時(shí)，土質(zhì)中的水分尚未排出，基土土質(zhì)總壓力的增量完全孔隙水應(yīng)力的增加相對(duì)應(yīng)。這時(shí)，雖然河道堤防基土土質(zhì)總壓力增加，但是道堤防基土土質(zhì)的有效應(yīng)力并未增加。隨著道堤防基土土質(zhì)總壓力持續(xù)增加，土質(zhì)中的水分被排出，孔隙水壓力無(wú)法增加并維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。這時(shí)，河道堤防基土土質(zhì)總壓力完全對(duì)應(yīng)于基土土質(zhì)有效應(yīng)力的增加，達(dá)到加固地基的目的。施加頂部壓力達(dá)到的應(yīng)力變化效果如圖3 所示。

圖3 頂部施加壓力后的應(yīng)力增加效果

如圖3 所示，當(dāng)頂部施加壓力以后，河道堤防地基土質(zhì)中的有效應(yīng)力開(kāi)始增大，最終增加量以及達(dá)到的新的有效應(yīng)力數(shù)值可以從圖中2 個(gè)區(qū)域面積的變化得出。

3 河道堤防加固效果的有限元分析

在前面的工作中提出多層排水板均勻排布結(jié)合頂部施加壓力的加固方案，并對(duì)其加固機(jī)理進(jìn)行分析。接下來(lái)的工作是驗(yàn)證河道堤防的加固效果，這里采用有限元分析作為仿真工具。

使用有限元分析軟件對(duì)河道堤防加固效果的分析具有比較突出的優(yōu)勢(shì)，主要包括以下4 個(gè)方面：1）采用有限元分析軟件，可以有針對(duì)性地設(shè)計(jì)土質(zhì)模型，對(duì)土質(zhì)結(jié)構(gòu)、土質(zhì)應(yīng)力特性、土質(zhì)應(yīng)變情況、土質(zhì)剪切膨脹情況和屈服變化來(lái)說(shuō)，都有非常好的針對(duì)性。2）采用有限元分析軟件可以設(shè)計(jì)流體模型，該模型可以相應(yīng)地表示河道堤防地基中孔隙的水壓力、滲流現(xiàn)象。3）有限元分析軟件，對(duì)土質(zhì)結(jié)構(gòu)中的分層次特征、層間接觸和層間滑移，都可以進(jìn)行處理。4）有限元分析軟件對(duì)邊界條件、初始條件、載荷情況，都可以進(jìn)行靈活設(shè)置。

在頂部施壓的過(guò)程中，河道堤防的基土土質(zhì)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，其中的應(yīng)變包括彈性變性產(chǎn)生的應(yīng)變和塑性變形產(chǎn)生的應(yīng)變，這些變化需要提交給有限元分析軟件，如公式（4）所示。

式中：ε為河道堤防的基土土質(zhì)產(chǎn)生的總應(yīng)變大?。沪舉為河道堤防的基土土質(zhì)產(chǎn)生的彈性應(yīng)變大??；εp為河道堤防的基土土質(zhì)產(chǎn)生的塑性應(yīng)變大小。其中，彈性應(yīng)變是可以恢復(fù)的，塑性應(yīng)變是不能恢復(fù)的。

公式（4）可以進(jìn)一步寫(xiě)成微分形式，如公式（5）所示。

式中：ε為河道堤防的基土土質(zhì)產(chǎn)生的總應(yīng)變大?。沪舉為河道堤防的基土土質(zhì)產(chǎn)生的彈性應(yīng)變大??；εp為河道堤防的基土土質(zhì)產(chǎn)生的塑性應(yīng)變大??；dε為河道堤防的基土土質(zhì)產(chǎn)生的總應(yīng)變的微分形式；εe為河道堤防的基土土質(zhì)產(chǎn)生的彈性應(yīng)變的微分形式；εp為河道堤防的基土土質(zhì)產(chǎn)生的塑性應(yīng)變的微分形式。

在上述各種準(zhǔn)備條件后，使用有限元分析軟件建立河道堤防的仿真模型，如圖4 所示。

圖4 河道堤防的仿真模型

圖4為有限元分析模型，河道堤防在垂直方向上的位移或位移趨勢(shì)，受到堤防底部和堤防兩側(cè)邊界限制；河道堤防在水平方向上的位移或位移趨勢(shì)，受到堤防兩側(cè)邊界限制；河道堤防的頂部為自由狀態(tài)，沒(méi)有限制條件，但因重力作用也不會(huì)產(chǎn)生向上的位移或位移趨勢(shì)；在整個(gè)河道堤防中，原有的載荷呈現(xiàn)均勻分布。

經(jīng)過(guò)該文的方法進(jìn)行加固處理后，河道堤防的應(yīng)力變化情況，如圖5 所示。

圖5 加固后河道堤防的應(yīng)力變化

從圖5 可以看出，除了對(duì)土質(zhì)內(nèi)的排水板進(jìn)行加固外，還在頂部施加壓力加速堤防加固的過(guò)程。因?yàn)轫敳繅毫Φ脑龃?，堤防?nèi)部壓力出現(xiàn)了明顯的變化，所以起到了加固的作用，也達(dá)到沉降排水的目的。

進(jìn)一步比較加固前后河道堤防的整體安全系數(shù)，加固前的堤防安全系數(shù)為1.015，加固后的堤防安全系數(shù)達(dá)到了1.578，堤防安全性有了非常明顯的提升。

4 結(jié)論

河道堤防是水利工程的重要組成部分，其穩(wěn)定性和安全性關(guān)系到正常生產(chǎn)和生活秩序。該文針對(duì)河道堤防加固問(wèn)題，提出了1 種多層排水板均勻排布結(jié)合頂部施加壓力的加固方案。在這種方案中，排水板可以采用六邊形排布或正方形排布，在提高加固效果的同時(shí)還能排出土質(zhì)中的水分。通過(guò)頂部施加壓力，可以進(jìn)一步加速土質(zhì)中的水分排出，提升土質(zhì)沉降和加固的效率。通過(guò)加固機(jī)理分析可知，該文提出的加固方案可以提升土質(zhì)內(nèi)的有效應(yīng)力，從而達(dá)到加固的效果。使用有限元分析軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，證實(shí)了采用該文方法對(duì)河道堤防進(jìn)行加固處理，可以提升河道堤防的安全性。