内河充填管袋丁坝施工期稳定性研究

周美林，黄伦超，肖 政，贺 立

(1.湖南女子学院，湖南长沙 410072; 2.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙 410076;3.湖南省水沙科学与水灾害防治重点实验室，湖南长沙 410114;4.广西壮族自治区交通勘察设计研究院，广西南宁 530011)

0 引言

土工织物充填管袋丁坝为将土工布缝制成一定尺寸的管袋，采用水力或机械方式向管带内充填砂性土和水的混合物，多余水分可从土工布孔滤出，填充砂在自重和渗水压力作用下形成比较密实的砂料;由管袋堆叠成堤芯，外筑防护层构筑成堤坝。土工织物填充管袋具有降低工作量、缩短施工周期、节省工程费用、可就地取材并利用当地设备、降低工程维修费用等优点，不失为一种取代传统抛石坝工的理想方法。

国外填充管袋技术相对成熟，通常采用圆形管袋，而我国主要采用扁平型充填管袋筑堤技术。两种断面型式的管袋水流作用的失稳机理不同，圆形管袋丁坝主要是由于倾覆而失稳，扁平型管袋丁坝主要是由于层与层之间滑移而失稳，有关国外所总结管袋丁坝设计的一些规范、公式不能直接应用于国内的管袋丁坝设计。因此，要想进一步推广土工织物填充管袋丁坝技术在内河航道整治工程中的应用，就必须要对扁平型管袋在水流作用下的稳定性问题进行深入研究。本研究利用流固耦合数学模型，分析复杂水流作用下管袋丁坝施工阶段的流场、动水压力场和管袋内部应力场变化情况，为堤坝稳定性设计计算以及施工期稳定性控制提供一定的理论依据。

1 数学模型

1.1 水流计算模型

1.1.1 控制方程

连续方程:

1.1.2 边界条件

上游进口给定进口流速，下游出口处水深、流速依据出口流量变化而变化，采用压力出口较为合适。上部边界设定在高程0.5 m处，设定其为压力边界。水槽底部和边壁及坝面均设定为无滑移边壁。

1.1.3 离散、求解方法

采用有限体积法对水流控制方程进行离散，通过较成熟的SIMPLE算法求解速度和压力场。

1.2 坝体应力应变计算模型

有限单元法求解中，一般是以节点位移作为基本未知量，通过节点平衡方程求出节点位移，再由位移反推出各单元的内力。

节点平衡方程:

其中:［K］为整体刚度矩阵，{δ}为整个结构的节点位移矩阵，{P}为整体结构的节点荷载矩阵。

1.3 计算工况

本研究选取3种高度的堤坝(模型坝高分别为12、18和24 cm)模拟管袋丁坝的3个施工阶段。根据工程实践和以往模型试验成果可知，丁坝边坡坡地对丁坝的稳定性产生较大的影响，因此选取3种堤坝边坡坡度(分别为 m=1.25、1.5、2)进行计算分析。如表1。

表1 计算工况

2 计算结果分析

2.1 管袋丁坝施工期流场变化分析

管袋丁坝施工过程中，由于坝体的存在，使过坝处的过水断面减小，坝前水流受阻壅高，比降减小，流速降低，到坝顶处，流速大幅度增大。水流与坝顶产生分离，同时由于翻坝水流与坝后静止水流之间存在的流速梯度而产生的切应力，带动坝后静水开始形成副流，此副流上层靠近运动水流的一部分在主流的携带下随主流一起流向水槽下游，下层的静水向上补充，这样就在坝下形成一个很强的回流区。

图1～图3表述了管袋丁坝施工3个阶段的流场变化情况。由图可知，第一层管袋施工时，管袋坝前平均流速沿堤身逐渐增加，坝上平均流速达到最大值;随着第二层管袋的施工，管袋坝前、坝上平均流速较第一阶段增加。管袋堤坝水流流速，以迎水面坝顶顶角及坝顶面附近为最大，坝后底层附近产生回流。垂线方向上，分层流速坝前服从正常流速分布规律，即垂线方向上上层流速大下层流速小;迎水面坝顶顶角及坝顶面的流速分布为上层流速小下层流速大。坝后水面流态紊乱，底层出现回流，流速分布基本上恢复正常分布规律。随着丁坝坡度的增加，坝前水流流速变化逐渐剧烈，对丁坝的稳定性产生较大的影响。

2.2 壅水变化分析

利用整治建筑物壅水是各类河道治理及航道整治工程措施之一，其目的是壅高上游水位，调整局部河段水面比降、单宽流量及水流流速，改善原河道水流流态。管袋丁坝工程壅水的计算分析是在整治效果评价中的一个重要指标;其施工过程中的壅水变化，也是一个重要的参考指标。

水流经管袋丁坝作用后，一部分动能向势能转化，从而形成管袋丁坝的壅水。施工过程中，随着管袋丁坝的逐层铺设，过水断面面积逐渐减少，丁坝的阻水效果逐渐加强，以m=1.25的边坡为例，上游水面线由0.37 m逐渐增加到0.52 m，壅水逐渐增加(见图1～图3)。随着管袋丁坝坡度的增加，壅水也随之增加，且坝前水面线沿程变化较大。

2.3 动水压力场分析

河道整治工程中，作用在丁坝上动水压力的大小及分布直接影响到丁坝自身的稳定性，其不仅仅与流速有关，也与丁坝本身的断面型式、丁坝对水流的压缩比等因素有关。

图4～图6分析了不同坡度、不同施工阶段下，作用管袋丁坝坡面的动水压力分布。由图可知，施工期管袋丁坝迎、背水面的动水压力存在一定的差异，通常迎水面的动水压力要大于背水面。在施工期第一阶段(h=0.08 m)，淹没水深比较大，坝高较低，作用在其上的动水压力相对较少，随着施工期二、三阶段的推进(h=0.16 m，h=0.24 m)，其动水压力逐渐增加。从丁坝迎水面动水压力分布图示可知，丁坝上层的动水压力大于下层，这对施工期管袋的稳定性有较大的影响。

坝前随着坡度增大的情况下，压力值呈上升趋势，且坡顶处压力值上升速度较快，坡脚处压力上升速度相对较慢;坝后数据分布并无明显规律，这与该区域内水流下泄产生扰动较多、流态不稳定有很大关系。通过对丁坝堤前、堤后压力分布比较，不难发现同一坝高和边坡坡度情况下，坝前动水压力明显大于坝后动水压力，结合丁坝的布置特点，可以预测出管袋丁坝施工期破坏的基本模式。

图6 不同施工阶段堤前动水压力值(m=2.0)

2.4 管袋丁坝坝体应力变化分析

随着施工阶段的进行，坝体上的外荷载(动水压力)逐步增加，坝体自重增加，因此坝体最大应力将随着施工的进行逐渐增加。施工期第一阶段，应力相对较小，但该阶段水平方向的应力需要重点考虑，因为该工况下，管袋的方向的抗滑力相对较小，容易出现管袋水平滑移现象。随着施工阶段的进行，局部应力集中现象集中在管袋丁坝的坝前位置，通常该区域成为施工过程中的薄弱环节，与实际工程施工过程中经常出现管袋迎水面的外翻现象相一致。

不同堤坝边坡的管袋丁坝，在施工期第一阶段其应力差别不明显，其主要原因是在管袋厚度一样的情况下，作用在其上的自重力几乎相同，且在该阶段动水压力条件差异不多，导致其应力场无明显区别。随着施工二、三阶段的进行，动水压力条件出现了较大的差异，边坡较陡的工况(m=1.25)，其最大应力大于边坡较缓的工况，从应力场角度不难看出，边坡较越陡，其稳定性越差。见图7、图8。

图7 施工第一阶段X向正应力(沿坝高方向，m=1 ∶1.25)

图8 施工第一阶段Y向正应力(沿坝高方向，m=1 ∶1.25)

2.5 管袋丁坝坝体应变分析

由计算可知，管袋丁坝施工过程中，丁坝坝体迎水面区域往往应变较大，通常导致丁坝管袋变形，出现其内填充砂发生变化，影响到管袋丁坝的正常使用，这也是施工过程中令现场施工人员感到头疼的问题。在施工第一阶段，不同坝体边坡的应变变化相对不大，随着施工阶段的推进，坡度较陡的丁坝，其堤内应变变化较大，影响到管袋丁坝的质量，进而对其稳定性产生较大影响。见图9～图11。

图11 施工第三阶段应变值(m=1∶1.25)

3 结论与展望

本研究通过理论分析和流固耦合数学模型结合的研究手段，分析了管袋丁坝施工期在水流作用下的流场变化、作用在丁坝上的动水压力变化以及丁坝坝体应力、应变变化规律。分析结果可为今后管袋堤坝的设计和施工过程控制提供参考。

不过，本次研究中重点考虑了各施工阶段管袋堤坝的流场和应力应变场变化，其影响因素只考虑了管袋丁坝的边坡影响，影响管袋丁坝稳定性的因素较多，下一步需要进行多因素管袋丁坝施工期稳定性研究。同时本次研究主要分析了淹没丁坝施工期的稳定性，对于非淹没丁坝，其施工期稳定性将更加复杂，需要开展数学模型、物理模型和现场观测相结合研究手段，开展相关研究。

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