基于不同护坡形式的洞庭湖堤岸稳定性对比分析

何怀光，陈星佑，潘雨齐，周 双，张 聪

（1.湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007；2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

引 言

水域堤岸长期受到水流冲刷、波浪侵蚀等影响极易发生崩塌、水土流失等灾害，为此，工程上一般对堤岸进行护坡防护来提高其稳定性，常见的堤岸护坡方法主要有混凝土砌块、混凝土板、砌石、网状物、绿色驳岸砌块等[1～3]。其中，绿色驳岸砌块因具有良好的生态效应、优美的建筑外观而被推广应用，但该类护坡形式较之传统的护坡形式对堤防稳定的影响仍需要进一步探究。

目前，国内外许多学者围绕堤岸护坡稳定性进行了深入研究。例如，占超[4]从岸坡稳定性的角度对沂河的堤岸土体组成进行了稳定性分析；郭观明[5]对放坡的坪山河堤岸进行稳定性分析，计算堤岸的稳定安全系数；刘动[6]通过莫尔-库伦本构模型，对铺设抛石的堤岸进行稳定性分析；朱芳清[7]通过FLAC 3D软件，对锚杆支护的边坡进行了稳定性分析；邱笑[8]通过拟静力法对砌块护坡进行稳定性分析；王广莹[9]对不同坡度的“植物桩+散粒块石”堤岸护坡进行了稳定性分析；谢武军[10]通过Slide软件，对边坡进行了稳定性计算，确定边坡的最危险滑动面；曾昌海[11]对框架式微型桩加固的河岸进行了稳定性分析。综上可知，国内外学者在传统堤岸护坡稳定性评价方面取得了丰硕的成果，但针对绿色驳岸砌块护坡稳定性评价则相对较少，尤其是湖区水位变化较为显著的复杂堤岸环境下如何选取合理的堤岸护坡形式仍较少。

鉴于此，本文以洞庭湖堤岸为工程依托，基于强度折减法，采用COMSOL数值模拟软件，对天然护坡、混凝土砌块护坡、生态砌块护坡三种不同的典型护坡形式进行堤岸稳定性分析，以期为洞庭湖堤岸选取最合理的护坡形式。

1 工程背景及模型构建

1.1 工程背景

洞庭湖是我国极具特色的大型淡水湖泊，兼具有缓解长江中下游地区洪涝灾害、减小长江干流的冲淤变迁、维系两湖地区蓄泄和泥沙冲淤平衡等功能，是湖南水利安全、粮食安全和生态安全的重要基地。护城垸位于洞庭湖区，西南临藕池河东支，东靠华容河，垸内总面积364.6 km2。其中，一线大堤分藕池河、华容河，总长82.816 km，南堤长6.974 km，合计89.79 km，堤防级别为Ⅱ级，建筑物级别Ⅱ级。

1.2 模型构建与网格划分

采用COMSOL Multiphysics对洞庭湖区某坡面进行稳定性分析。考虑边界尺寸，建立的模型长70 m、高14.5 m，地层从上至下依次为素填土（厚度6 m）、粉质粘土（3.7 m）、淤泥粉质粘土（1.8 m）、基岩（3 m）；模型底部为固定约束，模型两边为辊支撑，共划分4 533个域单元和772个边单元，采用三角形自由网格进行划分（如图1所示）。本文选取三种典型护坡形式开展数值计算：①堤岸未进行护坡；②采用10 cm厚的混凝土砌块护坡；③采用生态砌块护坡。

图1 模型构建与网格划分

1.3 参数选取与求解

通过对现场堤岸的地质勘察，得到的堤岸土层相关参数见表1。此外，为了考虑生态砌块护坡时植被根系稳定堤岸的作用，护坡层厚度取30 cm，不同土层根系作用后护坡层物理力学性能见表2。数值计算模型采用迭代式求解器进行求解。

表1 各土层物理学指标

表2 不同土层根系作用后的物理力学指标

2 堤岸稳定性计算结果分析

2.1 安全系数对比分析

基于强度折减法获得了三种典型护坡形式下的堤岸最小安全系数，计算结果如图2所示。

图2 三种护坡形式下堤岸强度折减系数

由图2可知，在天然护坡、混凝土砌块护坡、生态砌块护坡下洞庭湖堤岸最小安全系数分别为1.525、1.66、1.895。由此可知，洞庭湖堤岸采用生态砌块护坡稳定性较混凝土砌块护坡好，且相对于天然堤岸其稳定性提高幅度达24.3%。

2.2 塑性变形区对比

塑性变形区是堤岸是否失稳破坏的重要评价指标。为此，计算获得了三种典型护坡形式下堤岸最小安全系数的塑性变形区云图，见图3。由图3可知，三种护坡的最大塑性形变区主要位于堤身与基岩分界处，为此在进行堤岸防护时应对此区域进行重点防护，以提高堤岸安全性。

图3 堤岸最小安全系数的塑性变形区

2.3 滑动位移对比分析

计算获得了三种典型护坡形式下堤岸最小安全系数的滑移面，见图4。

由图4可知，天然护坡形式下滑移区主要位于水位线以下，且位移量明显大于水位线以上；混凝土砌块护坡滑移面主要位于土层分界面，且位移量小于天然护坡形式；相比于混凝土砌块护坡形式，生态驳岸砌块护坡时堤岸滑移面面积减小，整体滑移显著减小。

图4 不同护坡形式下堤岸的滑移面

3 结论

1）生态驳岸砌块是一种可行的洞庭湖区堤岸护坡形式。计算结果表明，天然护坡、混凝土砌块护坡、生态砌块护坡下洞庭湖堤岸最小安全系数分别为1.525、1.66、1.895。相较于其他两种护坡形式，生态砌块护坡稳定性分别提升了24.3%与14.16%。

2）三种护坡形式下堤岸最大塑性形变区均位于堤身与基岩分界处，故护坡工程应重点针对该区域，以提高堤岸安全性。此外，生态驳岸砌块护坡时堤岸滑移面面积减小，整体滑移也相对较小，天然护坡形式下堤岸滑移区主要位于水位线以下，且位移量明显大于水位线以上，而混凝土砌块护坡滑移面主要位于土层分界面，且位移量小于天然护坡形式。