河流冲刷深度对堤防结构的影响研究

彭慧荣

(新疆维吾尔自治区乌鲁瓦提水利枢纽管理，新疆 和田 848000)

1 堤防简介

托什干河从阿合奇县境内苏木塔什至苏其克巴斯渠首河段总长度 25.4km，主流偏向右岸，冲刷严重。据多年观测，一般河床下切约0.5-1.0m，汛期实际冲刷深度较大，现有临时性防洪工程的基础埋置深度不够， 防洪堤坝屡被冲毁。根据沙里桂兰克站实测资料表明，断面最大水深出现在流量Q=243- 629m3/s的中小水期，实测最大冲深达 7.1m(1987年Q=629m3/s)。这是由于中枯水期水流归槽，含沙量小，挟沙能力大，水流冲刷能力特别强烈所致。阿合奇县段防洪段，已建成防洪堤防共有6处，基本上为临时性土坎和石坎。标准低、质量差，并且已严重损坏，失去防洪作用。在吾曲段建有1.15km防洪堤，堤顶宽4m，坝高3.5m，基础埋深4m，护面浆砌石，基础型式直墙，洪水960m3/s，重现期为10a一遇，由于基础冲刷和护面破坏，多次来水超过设计洪水屡遭破坏，冲毁地段只能用铅丝笼、三脚架进行防洪抗险。

本着因地制宜，就边取材的原则，采用稳定的梯形断面，直接用开挖基础的砂砾石和就地取材填筑均质堤。堤坝临水坡采用1∶1.5。背坡为1∶1。堤顶宽度4.0m，堤高3.5m，基础埋深度6m，临水面护坡结构型式采用浆砌石护面， 底部宽度0.5m，上部宽度0.30m，每10m设伸缩缝，填缝材料是SBS。防洪堤坝基础型式为重力式挡土墙，采用毛石混凝土浇注，在考虑以上实际情况，考察论证得到历史冲刷深度资料后，选取4m、5.36m、6m三种冲刷深度，验算堤身结构破坏冲刷深度[1-2]。

2 模型及软件简介

三维拉格朗日法经常被用于经典物理力学的模拟上，尤其是岩土体和大部分工程材料。它采用显性有限差数值模拟的方法来建立并且解答微分方程，采用混合单元离散模型，可以精确模拟材料的屈服、塑性流动、软化和大变形，特别是在弹塑性领域施工过程分析、大变形分析及模拟等[3]。

FLAC3D(3D连续高速拉格朗日分析)是Itasca咨询公司goup LNC开发的一个三维高速拉格朗日分析程序，用ANSI C+语言模拟岩土材料在达到强度极限或屈服极限或塑性流动力学行为时的断裂行为，特别适用于分析渐进断裂和损失以及大变形的模拟。这包括弹塑性材料的10个本构模型，包括静态、动态、蠕变、渗流和温度计算模型。各种模型可以相互结合，可以模拟各种结构，如岩石、土壤和其他材料的主体。梁、锚单元、桩、壳和人体结构，如支架、底座、锚、锚、陶器、摩擦桩和界面等，可以模拟复杂的土过程和单桩等力学问题。

3 堤身荷载分级、堤身单元剖分

3.1 堤身填筑施工程序与荷载分级

在有限元分析中，结合施工过程共分四级加荷。第一级为基础覆盖层；第二级为挡土墙；第三级为堤身到 2.8m 高水位；第四级为堤顶及路基；第五级为蓄水到最高洪水位 2.8m。荷载分级见表1。

表1 荷载分级表

3.2 堤身单元剖分

模型坐标系取为：以堤身上游垂面与堤基交线的中点为坐标原点，y轴沿上下游方向指向下游，z轴垂直指向上方，x轴垂直水流方向指向右岸。空间模型见图1和图2。

从该堤防工程中取30m长的堤段作为研究对象，建模并进行单元剖分。整个结构模型剖分共17732个结点，15000个单元。基岩部分考虑向上下游、左右岸及深度方向各延伸2倍堤高，地基底面和侧面加法向约束。

3.3 堤基不同冲刷深度的单元剖分

堤基冲刷深度4m时，结构模型剖分共16151个结点，13560 个单元。堤基冲刷深度 5.36m时，结构模型剖分共15624个结点，13080个单元。堤基冲刷深度6m时，结构模型剖分共15097个结点，12600个单元。空间模型及断面网格图见图3-图6。

图1 堤身及堤基整体网格剖分图 图2 堤身及堤基整体网格剖分图

图3 典型断面网格图

图5 堤基冲刷深度4m时典型断面网格图

4 计算成果分析

4.1 竖向位移分析

从等值线图图8和图9可以看出，堤基冲刷深度到4m时，最高洪水位期竖向最大位移出现在约堤身和堤基水平接触面靠近挡土墙位置，最大竖向位移值为0.037m，这是施加水压力引起竖向位移变大的结果。堤基冲刷深度到5.36m时，最高洪水期出现竖向最大位移的位置一样。位移值为0.1m。模拟运算假设冲刷深度达到6m时，运算结果不收敛，故判断堤身已经破坏。

堤基冲刷深度分别为4m、5.36m时，最高洪水位期竖向位移等值线图如图8和图9所示。

图7 堤基冲刷深度6m时典型断面网格图

图8 堤基冲刷深度4m时堤身断面竖向位移等值线图(m) 图9 堤基冲刷深度5.36m时堤身断面竖向位移等值线图(m)

4.2 水平向位移分析

堤基冲刷深度分别为 4m、5.36m 时，最高洪水位期竖向位移等值线图如图10和图11所示。

从等值线图图10和图11可以看出，堤基冲刷深度到4m时，向上游的最大水平位移值为0.034m；向下游的最大位移值为0.002m；而堤基冲刷深度到5.36m 时，最高洪水位期向上游的水平位移最大位移值为0.1m；向下游的最大位移值为 0.005m；具体位置见图10和图11。

4.3 应力分析

堤基冲刷深度分别为 4m、5.36m 时，最高洪水位期的第一主应力云图和第三主应力云图如图12至图13所示。从应力云图图12至图13可以看出，堤基被冲刷后最高洪水位工况计算的第一主应力和第三主应力都沿坝高逐渐减小，说明总体变化规律大致相同。堤基冲刷深度到 4m 时，第一主应力最大值为 365.27kPa，第三主应力最大值为 191.46 kPa；堤基冲刷深度到 5.36m 时，第一主应力最大值为 565.27 kPa， 第三主应力最大值为 190.77 kPa。

a.堤基冲刷深度4m时 b.堤基冲刷深度5.36m时

大主应力由堤基向堤顶逐渐减小，在混凝土挡土墙和浆砌石面板附近应力变化复杂，这是由于混凝土材料变形模量比周围覆盖层和堤身砂砾石大得多，混凝土阻止周围覆盖层和堤身的变形，从而使混凝土挡土墙和浆砌石面板附近覆盖层及堤身应力表现复杂。随着堤基冲刷深度的变大，由于水压力的作用，堤身大主应力逐步变大，在混凝土挡土墙和浆砌石面板附近变化更为明显。冲刷深度到5.36m左右时应力值变化非常大，在挡土墙底部开始出现拉应力，堤身趋于破坏。

5 分析结论

堤基冲刷深度分别为4m、5.36m 时，最高洪水位期的最大竖向位移、最大水平位移、第一主应力和第三主应力，其成果比较如表2所示。

表2 不同冲刷深度结果对比

通过对不同冲刷深度进行梯级计算，其中选取4m、5.36m、6m 三种冲刷深度，对堤基结构的影响进行了详细分析。其中冲刷深度为4m 时，堤身和堤基结构基本稳定，应力、位移变化均符合规律，变化不大。冲刷深度为 5.36m 时，堤身和堤基出现部分不利于结构稳定的情况，应力和位移变化很大，尤其是挡土墙底部下游侧开始出现拉应力，堤身出现较大位移等。而冲刷深度为 6m 时，运算结果不收敛，可以判断堤身和堤基已破坏。