河堤生态加筋挡墙受孔隙水影响的静水力学试验研究

陈 涛

(辽宁泽峰水利工程规划设计有限公司，辽宁 沈阳 110003)

河道生态治理近些年来成为流域综合治理的重要措施，也成为当前研究的热点问题[1]。河道堤防早期综合治理考虑生态措施较少，而随着当前流域生态综合治理理念的提出，河道堤防生态综合治理要求越来越高，近些年来生态加筋挡墙既能充分考虑河道堤防生态功能又能满足防洪稳定要求，在国内一些河道堤防综合治理工程中得到应用[2-8]。一些研究成果[9-15]均表明河道堤防加筋挡墙受孔隙水静力压强影响明显，需要结合物理模型试验对其河道堤防生态加筋挡墙受孔隙水静力影响进行分析，从而提高生态加筋挡墙设计的科学性和合理性。为提高辽宁地区河道堤防生态治理设计的科学性，采用静力学试验的方式对河堤生态加筋挡墙受孔隙水的影响进行分析。研究成果对于河道生态治理设计具有参考价值。

1 孔隙水静力影响计算方法

生态加筋挡墙静力影响主要采用土压力系数来进行计算：

(1)

式中，Ka—静水压力系数；θ和φ—生态筋挡墙水平夹角和内摩擦角，(°)。当栅格垂向距离在6m以下第i层生态加筋挡墙的土层压力系数计算方程为：

(2)

式中，Ki和Kj′—不同层级下受孔隙水影响的压力系数；Zi—第i根生态加筋挡墙纵向深度，m。当栅格垂向距离在6m以上第i层生态加筋挡墙的土层压力系数计算方程为：

(3)

生态加筋挡墙面板的垂向压力在土层静力学计算基础上的计算方程为：

σzi=Kiγzi

(4)

生态加筋挡墙垂向压力计算方程为：

(5)

式中，q—加筋栅格单位强度，KPa；Lc—生态挡墙荷载单元加筋宽度，m；Lci—扩散性荷载在垂向方向上的荷载，KPa。水平方向生态加筋挡墙压力计算方程为：

∑σEi=σzi+σai

(6)

其中，σEi—总压力在水平方向值，KPa；不同栅格垂直方向拉力计算方程为：

Ti=∑σEi·Sy

(7)

其中，Ti—总压力在垂直方向值，KPa。生态加筋挡墙在垂直距离上的抗拔强度计算方程为：

(8)

式中，Tpi—抗拔强度垂直方向值，KPa；f′—在摩擦系数在不同土层之间的值；bi—栅格之间的间距，m；Lai—锚固栅格的长度，m。生态加筋挡墙的静力稳定性采用理论模型进行验证计算：

Tpi>γ0γR1γQ1Ti

(9)

其中，γ0—强度系数；γR1—加筋挡墙强度折减系数；γQ1—压力荷载单位系数。生态加筋挡墙受孔隙水静力影响计算方程为：

TK>γ0γR1γfγR2Ti

(10)

式中，γR2—加筋挡墙中栅格调节抗拉系数；γf—单元栅格调节抗拉系数。

2 试验结果

2.1 试验方案

堤防生态加筋挡墙受孔隙水影响主要从稳定性和充水破坏两种试验方式进行力学特性的分析，从生态加筋挡墙不同纵向深度进行其稳定性的分析。生态加筋挡墙静水压力采用充水试验进行不同充水方式下的稳定性分析，并对不同钢筋规格下的透水程度进行透水试验分析。

2.2 生态加筋挡墙受孔隙水影响的稳定性分析

结合静力学模型对生态加筋挡墙不同纵向深度下的稳定系数进行试验分析，试验结果见表1。

表1 生态加筋挡墙在不同纵向深度下受孔隙水影响试验分析结果

从生态加筋挡墙在不同纵向深度下受孔隙水影响试验分析结果可看出，生态加筋挡墙随着纵向深度的递增其稳定系数总体在0.45～0.65之间，具有相对较为稳定的变幅区间。稳定系数当纵向深度增加到1.62m深度后逐步趋于0.45的稳定变化，河道堤防迎水面静水压力逐步趋于稳定值。此外从试验结果还可看出，生态加筋挡墙受孔隙水影响其静力随着纵向深度变化逐步递减，这也是其受孔隙水静力影响稳定系数趋于稳定变幅的主要原因，生态加筋挡墙的稳定性在纵向深度达到1.62后逐步趋于峰值变化。

2.3 生态加筋挡墙在不同充水方式下破坏试验

在生态加筋挡墙在不同纵向深度稳定性试验分析的基础上，对生态加筋挡墙在不同充分方式下的破坏程度进行试验分析，试验结果见表2。

表2 生态加筋挡墙在不同充水试验方式下的破坏程度

从生态加筋挡墙在不同充水试验方式下的破坏程度试验结果可看出，河道堤防在相同压力条件下在充水方式下的孔隙水静水压力破坏程度高于非充水方式，在水平和垂直方向上生态加筋挡墙在不同充分方式下均呈现显著递增变化，生态加筋挡墙在半充水和充满水两种方式下的破坏度峰值σmax均要高于40MPa，生态加筋挡墙在非充水方式下随着静水压力的不断增加其峰值破坏程度逐步递增。

2.4 生态加筋挡墙在透水试验

在生态加筋挡墙受孔隙水静力影响和充水试验的基础上，对其加筋挡墙的透水试验进行分析，结果见表3。

表3 生态加筋挡墙不同钢筋规格下的透水试验结果

从生态加筋挡墙不同钢筋规格下的透水试验结果可看出，随着静水压力水头的增加，生态加筋挡墙不同钢筋规格下透水率递增较为显著，不同方向静水压力随着生态加筋挡墙钢筋直径的递增而显著增加，不同钢筋规格下的透水率也逐步递增。此外从试验结果还可看出，在相同孔隙水水头下，生态加筋挡墙的透水率随着钢筋直径的递增而呈现显著增加变化。

2.5 生态加筋挡墙在不同充水方式下的破坏强度峰值试验

对生态加筋挡墙不同充水方式下的破坏度峰值进行有效性试验，各充分方式下的试验结果见表4—5。

表4 生态加筋挡墙破坏度峰值在非充水方式下的有效试验值

表5 生态加筋挡墙破坏度峰值在充水方式下的有效试验值

从生态加筋挡墙破坏度峰值在充水和非充水方式下的有效试验值可看出，河道堤防生态加筋挡墙在充水和非充水方式下有效破坏度峰值具有较大差异性，有效破坏度峰值在非充水方式下随着孔隙压力增加而逐步增加，河道生态加筋挡墙在充水方式下破坏度峰值在随着孔隙水静水压力影响其变幅要明显高于非充水方式。

3 结论

(1)河道生态加筋挡墙堤防稳定性受孔隙水压力影响不明显，主要受充水方式影响较大，当其加筋挡墙迎水面板达到设计纵深后其堤防稳定系数不再变化。

(2)河道堤防生态加筋挡墙半充水和全充水方式下有效破坏度峰值变化差异加大，在施工设计中，应尽量选择半充水方式对其有效破坏度峰进行静力试验。

(3)河道堤防生态加筋挡墙透水率受钢筋直径大小影响显著，建议选择钢筋直径在20mm～25mm作为首选直径，从而降低其透水率。