河道冲刷对堤防稳定性的影响

邹雨良，肖梦芬

(1.惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司深圳分公司，广东 深圳 51800；2.深圳市盐田区工程质量安全监督中心，广东 深圳 51800)

1 概述

堤防工程的安全对河道防洪、防治水土流失具有重要的作用。在河道治理工程中，堤防是常用的工程建筑物[1- 3]。因此，充分分析堤防结构安全性是十分必要的。根据目前研究成果，影响堤防结构安全的因素众多，其中堤防结构的自身安全、基础埋置深度、地基土承载力是影响堤防稳定的重要因素。然而，河道的冲刷作用在一定程度上没得到足够的重视，河道长期的侵蚀、冲刷影响下，基础掏蚀导致堤防结构失稳，从而，造成河道堤防失稳，导致严重后果[4- 7]。因此，在河道土质易于侵蚀、冲刷区域，需要充分考虑河道冲刷作用的影响，合理设计堤防结构和埋置深度，以保证堤防结构的使用安全性。所采用的数值模拟方法是水利、岩土等工程领域较为常用的方法，建模简便、计算准确，方法较为成熟[8- 10]。

2 工程概况

工程河道冲刷现象严重，每年汛期携带大量泥沙，造成了河道下游淤积现象极为严重。根据实际测量，最大冲刷深度超过7.0m。根据实测数据，河道设计洪峰流量在243～629m3/s之间，为了对河道岸坡进行治理，防治水土流失，保障岸坡稳定性，考虑采用混凝土挡土墙+浆砌石护坡的形式进行治理。从安全方面考虑，堤防结构采取梯形断面，设计堤顶宽度4.5m，堤高3.5m(最高洪水位2.8m)，堤防背水侧坡比为1∶0.2，临水侧垂直，初步设计基础埋深度2.5m。考虑到土质疏松区域河道冲刷深度较大，在河道侵蚀冲刷影响下，河道堤防结构的稳定性情况可能发生变化。因此，在河道治理中需要充分考虑冲刷深度的影响。

3 堤身荷载情况及计算模型建立

有限元数值模拟方法，是水利、岩土等工程领域常用的研究方法。在边坡稳定性、大坝稳定性、河道渗流、堤防稳定性等研究中应用较多。FLAC3D是一种常用的数值分析软件，该软件主要是基于拉格朗日算法，利用有限差分法分析、模拟材料的变形、应力等特征，具有模型建立方法简便、计算效率高、计算结果准确等优势。

采用数值模拟方法对工程进行模拟分析时，确定合理的边界条件尤为重要。

3.1 堤防施工过程及荷载分析

根据现场调查情况可以得知，堤防工程砂土厚度是填土厚度的2倍以上。在水库建设中，水库荷载对原始土层的初始位置应力、应变均产生了一定的影响。堤防地基岩土体均经历了长期的沉降、压密。因此，在数值模拟模型建立时，需要充分考虑初始应力条件，以真实反映堤防结构的稳定性情况。

在数值模拟计算过程中，受到填土初始应力条件的影响，需要充分考虑过载应力对计算结果的影响。选择没有填土的过载应力作为地基的初始位置应力，并导出初始应力条件，之后利用函数元素，读取导出的初始位置应力条件，以便获取准确的数值分析计算成果。

采用数值模拟分析方法需要综合考虑施工过程，结合施工、使用过程将荷载分为以下几种工况：①基础覆盖层施工；②挡土墙施工；③堤防施工完成，达到最高洪水位2.8m；④堤顶结构及路基施工完成；⑤工程施工完成，达到最高洪水位2.8m。数值模拟计算工况见表1。

表1 数值模拟计算工况

3.2 数值模拟计算模型建立

数值模拟模型建立以堤身上游垂直堤防基础交线的中点为坐标原点，Y轴向下游为正方向，X轴向河道右岸为正方。数值模拟计算模型如图1所示。

图1 典型断面网格图

4 数值模拟计算结果分析

4.1 不同冲刷深度竖向变形位移分析

堤防基础冲刷深度达到4.0m时的位移等值线图如图2所示。从图2中可知，在最高洪水位条件下最大位移分布在堤防结构顶部与岸坡岩土体接触的区域，最大位移变形量约为0.04m，形成大变形的原因主要是水压力的影响。随着河道冲刷深度不断增大，达到5.4m时位移等值线图如图3所示，在最高洪水位情况下，最大位移位置与冲刷深度为4.0m时基本一致，最大位移量为0.1m。随着冲刷深度不断增大，超过6.0m时，有限元计算无法收敛，则可表明堤防结构已经发生破坏。

图2 河道冲刷深度4m时堤身断面竖向位移等值线图/m

图3 河道冲刷深度 5.4m 时堤身断面竖向位移等值线图/m

4.2 不同冲刷深度水平变形位移分析

在河道冲刷深度为4.0、5.4m时，堤防结构水平方向位移量如图4—5所示。从图中可得知，河道冲刷深度到4.0m时，最高洪水位条件下，堤防结构向上游方向最大水平位移量为0.034m；向下游方向最大位移量为0.002m；而河道冲刷深度到5.4m时，最高洪水位时，堤防结构向上游方向水平位移最大位移值为0.1m；向下游方向最大位移值为 0.005m。

图4 河道冲刷深度4m时堤身断面水平位移等值线图/m

图5 河道冲刷深度5.4m时堤身断面水平位移等值线图/m

4.3 应力分析

不同河道冲刷深度，堤防结构应力云图如图6—7所示。在最高洪水位情况下，不同河道冲刷深度，最大主应力均呈现出由下至上逐渐减小的现象，整体应力分布规律性较强。当河道冲刷深度为4.0m时，最大主应力约为370.0kPa，最小主应力约为200.0kPa；随着冲刷深度增大至5.4m，最大主应力值约为570kPa，最小主应力值约为195.0kPa。

图6 堤身断面最大主应力云图

图7 堤身断面最小主应力云图

由于堤防结构采用混凝土挡墙和浆砌石面板，混凝土和浆砌石材料的变形模量与周边岩土体材料差异较大，混凝土挡土墙阻止了河道岸坡岩土体的变形，与浆砌石面板出现了较为复杂的应力情况。随着冲刷深度不断增大，应力不断集中，同时在水压力作用下，当冲刷深度达到5.4m时，混凝土挡土墙底部出现了拉应力，当冲刷深度进一步增大时，混凝土挡土墙则易出现破坏现象。

5 结论

为了考虑河道冲刷深度对堤防稳定性的影响，对不同冲刷深度条件下堤防结构的稳定性进行分析。数值模拟计算结果表明：当冲刷深度为4.0m时，堤防结构整体稳定性良好；随着冲刷深度不断增大，堤防结构堤基区域出现了拉应力，当冲刷深度达到6.0m时，堤防稳定性计算无法收敛，表明堤防结构可能出现破坏。在实际工程中，应充分考虑河道冲刷深度对堤防结构的影响，合理设计，以保证工程的稳定、安全。