堤防加固仿真技術(shù)與應(yīng)用研究

楊 平

（安慶市長(zhǎng)江河道管理處一分處，安徽 安慶 246001）

長(zhǎng)江是我國(guó)最大的河流，也是覆蓋面積最大的水系，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利灌溉、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和氣象水文情況，都有十分重要的影響[1]。因此對(duì)長(zhǎng)江進(jìn)行有效治理，能保障提防安全，保證長(zhǎng)江發(fā)揮積極作用。通過(guò)觀察長(zhǎng)江河道安慶段的實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，江水長(zhǎng)期浸潤(rùn)和持續(xù)水壓作用會(huì)導(dǎo)致河道堤防尤其是基底土質(zhì)成為淤泥軟土，影響河道堤防安全。淤泥軟土含有大量的水分，從而使堤防基底部分強(qiáng)度大幅下降，進(jìn)而導(dǎo)致堤防整體結(jié)構(gòu)滑移和沉降[2]。其中，滑移會(huì)改變堤防的原有位置，導(dǎo)致防水錯(cuò)位。而沉降會(huì)使堤防高度下降，導(dǎo)致江水漫溢、引發(fā)洪災(zāi)。因此，加固長(zhǎng)江河道堤防是保障長(zhǎng)江水系安全的關(guān)鍵[3]。但是，采用一般的方法加固淤泥軟土效果不好，并且加固慢、加固過(guò)程中會(huì)流變或觸變。該文結(jié)合仿真分析，對(duì)一種新的加固方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 堤防的排水板豎向加固方法

長(zhǎng)江河道的堤防穩(wěn)定性，主要受堤防基礎(chǔ)周圍尤其是基礎(chǔ)下的軟土土質(zhì)特性影響，根據(jù)需要加固的堤防區(qū)段不同，要具體分析。該文以實(shí)驗(yàn)地的軟土土質(zhì)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，提出有針對(duì)性的加固方案。實(shí)驗(yàn)地堤防各層的土質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)地堤防各層的土質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)地所在區(qū)段河道堤防的穩(wěn)定性，主要由3層土質(zhì)構(gòu)成的土質(zhì)結(jié)構(gòu)決定，從上到下分別是堤防構(gòu)成土層、重粉土質(zhì)層和淤泥土質(zhì)層。從各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比情況看，3層土質(zhì)結(jié)構(gòu)差異較明顯。其中，堤防土質(zhì)層承載壓力最大，為150kPa，同時(shí)濕密度、飽和密度也都最高，滲透系數(shù)最低。由此可見，頂層的堤防土層安全性和穩(wěn)定性比較高。與堤防土質(zhì)層相比，第二層重粉土質(zhì)層的濕密度、飽和密度、滲透系數(shù)和頂層相差不大，但承載壓力明顯下降，只有110kPa。在3層土質(zhì)結(jié)構(gòu)中，底層的淤泥土質(zhì)層各項(xiàng)參數(shù)最差，承載壓力只有60kPa，這是影響堤防結(jié)構(gòu)安全的主要原因。

因此，要達(dá)到堤防結(jié)構(gòu)加固效果，關(guān)鍵是處理第三層淤泥土質(zhì)層。該文以多組排水板豎向插入為總體方案，堤防加固的效果示意如圖1所示。

圖1 基于多組排水板豎向插入的堤防加固效果

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)地3個(gè)土層的厚度差異較明顯，其中，中間層的重粉層最薄，底層的淤泥層最厚。該文的加固方案主要是對(duì)淤泥層進(jìn)行加固處理?；炯庸淘捎盟芰吓潘澹远嘟M組合垂直插入淤泥層，各排水板等間距排列，用橫向連接件連接固定相鄰排水板。排水板是塑料材質(zhì)，強(qiáng)度高于淤泥土質(zhì)，按多組等間隔的規(guī)律性排列，進(jìn)一步提高了淤泥層的強(qiáng)度，從而可以加固整個(gè)堤防結(jié)構(gòu)。塑料排水板的主要特征參數(shù)，見表2。

表2 排水板的的主要特征參數(shù)

2 堤防加固機(jī)理與模型構(gòu)建

在早期階段，用樣件試制對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬，進(jìn)而做出修正和改進(jìn)，以此驗(yàn)證堤防加固的效果。但是單純的樣件試制可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果，進(jìn)而影響實(shí)際的測(cè)試周期和加固工期。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域飛速發(fā)展，三維仿真和分析軟件成為驗(yàn)證堤防加固效果最好的方法。

在三維仿真堤防加固前，要理清堤防加固的深層次機(jī)理。根據(jù)土質(zhì)增量壓縮理論，加固堤防各層土質(zhì)結(jié)構(gòu)，也就是巖土力學(xué)分析中的土質(zhì)彈性和塑性分析模型。在土質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性和塑性變形的過(guò)程中，產(chǎn)生的兩類形變共同構(gòu)成總形變，如公式（1）所示。

式中：e為土質(zhì)結(jié)構(gòu)在加固過(guò)程中的總變形；eT為土質(zhì)結(jié)構(gòu)在加固過(guò)程中的彈性變形；eS為土質(zhì)結(jié)構(gòu)在加固過(guò)程中的塑性變形。

如果將土質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生形變看做是微元級(jí)別的變化，那么公式（1）可以改寫為公式（2）。

式中：de為土質(zhì)結(jié)構(gòu)在加固過(guò)程中的總變形微元；deT為土質(zhì)結(jié)構(gòu)在加固過(guò)程中的彈性變形微元；deS為土質(zhì)結(jié)構(gòu)在加固過(guò)程中的塑性變形微元。

對(duì)加固過(guò)程中堤防的結(jié)構(gòu)排布進(jìn)行三維建模。設(shè)置假設(shè)條件如下：1）假定堤防結(jié)構(gòu)的土層土質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)相同，并且各層、各截面和各區(qū)域都呈線性變化。堤防結(jié)構(gòu)的空間變化可以簡(jiǎn)化為平面變化，更有利于分析。2）在堤防結(jié)構(gòu)加固前后，各層土質(zhì)內(nèi)的液態(tài)水流動(dòng)，都遵循達(dá)西定律。3）在堤防結(jié)構(gòu)加固前后，各層土質(zhì)的滲透系數(shù)是一個(gè)不變的常數(shù)。4）在堤防結(jié)構(gòu)加固前后和測(cè)試過(guò)程中，地下水位保持穩(wěn)定。堤防加固后結(jié)構(gòu)的三維模型如圖2所示。

圖2 仿真環(huán)境下堤防加固結(jié)構(gòu)的平面建模

從圖2可以看出，在仿真環(huán)境下，堤防加固模型最上方是堤防土質(zhì)層，重粉層位于其下，厚度較薄，因此無(wú)法有效觀測(cè)。再下面是排水板層，即原來(lái)的淤泥層加固后的效果，再下面是基地板下的土壤。

3 堤防加固效果的仿真分析

在三維仿真環(huán)境下，對(duì)該文提出的長(zhǎng)江河道堤防加固技術(shù)的效果進(jìn)行驗(yàn)證。將Adaqus作為三維分析工具。Adaqus軟件平臺(tái)是巖土工程領(lǐng)域常用的三維仿真軟件，可以對(duì)多種材料進(jìn)行單元建模和有限元分析，包括金屬材料、橡膠材料、復(fù)合材料、混凝土材料、高分子材料和巖土材料等。

在堤防加固仿真分析中應(yīng)用Adaqus軟件平臺(tái)，有以下3個(gè)方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：Adaqus軟件平臺(tái)能真實(shí)反映土質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性，通過(guò)Adaqus-Coulomb建模、Adaqus-Drucker建模、Adaqus-Prager建模、Adaqus-Cam建模和Adaqus-Clay建模等，可以更準(zhǔn)確地反映土質(zhì)結(jié)構(gòu)的屈服極限和剪切特性；堤防結(jié)構(gòu)中的巖土土質(zhì)，均為空間受力的三相體。要使其真正符合三相體的力學(xué)特征，必須要對(duì)內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行分析；堤防結(jié)構(gòu)中的巖土土質(zhì)，各層結(jié)構(gòu)和各截面間都存在因接觸產(chǎn)生的非常密切的項(xiàng)目作用。在接觸分析和脫離接觸分析中，Adaqus軟件平臺(tái)適用性更好。

該文采用Adaqus軟件平臺(tái)，對(duì)長(zhǎng)江河道堤防加固效果進(jìn)行仿真分析。觀察采用多組排水板加固后，河道堤防的水平滑移情況。如果加固效果不好，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，河道堤防就會(huì)整體滑移，滑移量直接反映水平方向上的加固效果。在Adaqus軟件平臺(tái)下，加固后的水平滑移云圖，分別如圖3和圖4所示。

圖3 Adaqus軟件平臺(tái)下加固前的堤防水平滑移云圖

圖4 Adaqus軟件平臺(tái)下加固100d后的堤防水平滑移云圖

由圖3可知，在河道堤防執(zhí)行多組排水板加固前，兩側(cè)區(qū)域滑移量較大，并且堤防工程中間也有較大的滑移區(qū)域，由此說(shuō)明：堤防基底的淤泥土質(zhì)導(dǎo)致滲流和滑移，堤防工程在水平方向上不穩(wěn)定。

由圖4可知，河道堤防執(zhí)行多組排水板加固100d后，兩側(cè)區(qū)域雖然滑移量較大，但堤防工程中間的滑移區(qū)域已經(jīng)明顯縮小，堤防工程整體已經(jīng)沒有明顯的滑移區(qū)域。由此說(shuō)明：雖然堤防基底的淤泥土質(zhì)導(dǎo)致了滲流和滑移，但是在利用多組排水板加固后，堤防工程在水平方向上的滑移量明顯降低，堤防過(guò)程具備水平穩(wěn)定性。

進(jìn)一步觀察堤防工程加固后，在垂直方向上的穩(wěn)定性，堤防工程的沉降變化曲線如圖5所示。

圖5 堤防工程加固后的沉降變化曲線

從圖5的曲線變化情況可以看出，在加固后的0d～100d，堤防工程的沉降值變化比較明顯，100d內(nèi)沉降約為350mm。隨著沉降時(shí)間逐漸增加，加固效果日益明顯，雖然堤防工程垂直方向還會(huì)有沉降，但是沉降速度已經(jīng)明顯降低、逐漸趨于平緩。

4 結(jié)論

長(zhǎng)江是中國(guó)最重要的河流，也是覆蓋中國(guó)面積最大的水系，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全緊密相連。因此，對(duì)長(zhǎng)江水道沿路堤防工程進(jìn)行加固非常重要。在該文的研究工作中，根據(jù)堤防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了多組排水板等間隔排布加固的技術(shù)方案，并通過(guò)縱向和橫向的關(guān)聯(lián)處理，進(jìn)一步提升堤防工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。對(duì)堤防工程的加固效果進(jìn)行數(shù)學(xué)層面的理論分析，并利用三維仿真軟件對(duì)其進(jìn)行建模和測(cè)試。測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果證明，利用該文的加固方法，堤防工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，在持續(xù)受壓狀態(tài)下產(chǎn)生的滑移量較小。加固100d后，堤防工程的沉降減少、沉降速度降低。