基于塑性力学的柔性溢洪道边坡稳定性研究

2022-11-29陈寅

地下水 2022年6期

陈寅

(广州市珠江前后航道流域事务中心，广东广州 510000)

堤坝是珠江流域防洪减灾的重要基础水利设施。近年来随着防汛排洪规划要求的提升，珠江流域重点城市堤防防洪标准普遍达到200 a一遇，这对堤坝稳定性提出了更高要求。所以早先存在的由于边坡不稳导致堤坝出现水毁等现象需要快速杜绝。因为水毁不仅威胁农作物收成，更威胁人民生命安全，而且还会对下游造成不可逆的环境损伤。

由于柔性溢洪道造价低，施工快，且施工材料易获取的特点，该水利建筑工程的应用正由堤坝发展为具有阶梯排洪需求的水利工程。鉴此，我国在堤坝内修建柔性溢洪道的施工经验可以由此发扬光大。另外，柔性溢洪道的边坡是由土工织物组成，提高边坡边墙的稳固性和耐侵蚀性，则可以同步提升柔性溢洪道的稳固程度。

1 堤坝现状

1.1 堤坝组成

首先需要针对溢洪道的修建地的地理特点进行分析，堤坝由于类型和组成不同分为三类，他们的特点和组成见表1。

表1 组成及特点

鉴于大中型堤坝的地理位置的重要性，溢洪道是连接堤坝坝体和泄水洞的主要途径。然而小型坝只有坝体没有溢洪道，也没有泄水洞；部分中型坝也没有修建溢洪道，而是直接在坝体上修建泄水洞，这势必导致堤坝的拦洪蓄洪效果大打折扣。溢洪道是否修建和边坡是否稳定将决定着堤坝的泄洪排洪能力和拦截泥沙淤泥效果的好坏。本文将对溢洪道边坡的稳定性进行分析及参数优化，以获得优质的边坡稳定方案。

1.2 水毁问题调研

目前，珠江流域上下游已经建造水库近万座，积水面积超过1 000 km2的河流超过120条，珠江水系河流生境包括“平原缓流型”和“山麓急流型“，覆盖面积广，也关系到广大农民的水田安全。如果经常性地出现堤坝坝体、泄水洞和溢洪道的水毁现象，不仅增加了堤坝自身除险加固和维修养护费用的投入，还会对下游人民的生命及财产安全构成较大的威胁。专家调研报告指出，水毁数量占比最大的原因是中小型堤坝未建设溢洪道，以及刚性溢洪道年久失修导致的边坡失稳。

专家指出，目前中小坝体不建设溢洪道的数量超过90%。结合2018年以来珠江流域多地常现恶劣天气。一旦发生洪涝灾害，蓄满水的小型坝将只能靠热量蒸发以及地表和地下水渗透降低蓄水量，若再次发生暴雨或上游泄洪，则极易发生坝体溃塌等事故。所以中小坝体修建成本可控的溢洪道迫在眉睫。

溢洪道在大型坝和骨干坝中的重要地位不容忽视，且珠江流域降雨集中，由于目前天气变化极易产生连续暴雨，恶劣天气的集中高频出现，对于坝体是否修建具有足够稳定性的溢洪道提出了较高的要求。而传统溢洪道属于刚性溢洪道，通过混凝土和砖石进行堆砌修建而成，不仅施工周期长造价高，且经常因为施工质量问题导致后续的次生灾害，短时间内无法建成或恢复，存在较大安全隐患。

中小型堤坝的刚性溢洪道的造价成本约为100～150万元，相对坝体修建占比较高，同时存在加固、修复及修缮成本高，施工周期长的问题，且刚性溢洪道为混凝土和砖石作为主材，一旦施工修建完毕后，后期由于地基沉降导致的溢洪道断裂、断层等问题将需要进行修复，同样耗费成本较高。据公开招标网站查询，中小型坝体的柔性溢洪道修建成本约为20～50万元，加固及修缮成本约10～20万元，相比刚性溢洪道的修建，成本大幅度降低。

对目前堤坝水毁原因进行调查汇总后发现，中小坝体对修建高性价比、施工工期短的溢洪道需求量较大。

表2 溢洪道存在问题

1.3 解决方案

在珠江流域频繁发生洪涝灾害的地段，使用柔性溢洪道进行泄洪排洪，是目前水利工程的主要做法。柔性溢洪道使用装入黄土作为主材的复合土工袋进行边坡建设，具有成本低、建设周期短、边坡能力强、修复简便的特点，复合土工袋的材质为PET材料，具有稳定的化学特性，耐酸碱、高低温环境下依然具有较好的韧性，被用来进行加工土工布具有天然优势，市政及水利行业使用较广泛。柔性溢洪道的建设虽然从根本上解决了刚性溢洪道高造价成本和长建设工期的问题，尤其是对于变坡幅度大的区域尤其具有较高的使用价值，但是柔性溢洪道本身也存在问题：

(1)复合土工材料的选材：复合土工材料需要具有较高的化学稳定性，风吹日晒导致的抗老化性能等，需要对复合土工材料的选取进行详尽调研，实验完毕获取所想要的数据后再进行柔性溢洪道的方案编制。

(2)复合土工袋填土后的造型稳定性：由于复合土工材料内装入黄土，使得复合土工袋在填土完毕后很难成型，如果袋子破裂造成黄土泄露就容易导致边坡出现变形。

(3)相邻土工袋之间的间隙组合：溢洪道周边采用的是填土后的复合土工袋，相邻土工袋之间如果出现破裂或漏水，如果没有做好土工袋的间隙组合，将会导致成组土工袋坍塌、变形或者歪斜。

针对上述问题，工程实践中通过对土工袋组成的边坡进行加筋来建设新型溢洪道，采取阶梯形势，且阶梯之间的间隙进行科学计算，运用塑性力学的极限定理进行边坡稳定系数的计算，通过分析成组土工袋之间的滑移模式，比较不同固定方案的安全系数，获取具有最高安全系数的加筋固定方案。

2 边坡加固方案

2.1 新型柔性溢洪道的常规加筋方案

将多层复合土工袋内装黄土后进行堆垒后成为柔性溢洪道的边墙，具体施工过程中，需要将每层土工袋组成坡比的边坡，且边坡通过U型钉进行加筋，竖直加筋的高度为h，加筋的长度为横向土工袋的间距L。图1为土工袋边墙砌筑和边坡挖线的相对位置，其中U型钉的作用是防止土工布袋安装后由于载荷增大导致滑移，当施加的竖向载荷P作用时，土工袋受到竖向的压力、斜向的剪切力。

图1 溢洪道边坡的主要参数及组成

如果三角形加筋方案中的筋材数量不足以支撑土工袋的抗剪切力导致对内部的填土无法提供足够的约束力，从而产生土工袋滑移。另外，来自上层的土压力持续增大，三角形边坡在加筋后仍然不足以支撑土压时，土工袋将会坍塌或者滑移，故大型堤坝的柔性溢洪道采用矩形加筋形式。相对于三角形加筋方案，矩形加筋具有成本造价高、施工周期长等特点，但是其稳定性大大提升，是目前大型柔性溢洪道的不二选择。

2.2 基于塑性力学的极限分析法分析边坡稳定性

鉴于堤坝的边坡为土质边坡，边坡失稳是堤坝溢洪道施工建设的主要研究及防范方向，也是结构塑性力学的主要应用方向之一，通过对结构在极限状态下的塑性受力情况进行分析，施加塑性极限载荷时，得出使机构失去承载力的极限值，故通过边坡的可靠度分析来衡量边坡的安全性和稳定性。业内通常使用多种方式进行稳定性分析，如常见的蒙特卡洛模拟法、有限元法、最优化法，基于塑性极限理论分析，尤其是上极限分析，得到的数据具有代表性和科学性，故在工程实践中应用广泛。

李典庆提出的边坡失稳估算是基于多滑动模式的原理，将失效概率和失效后果系数进行相乘后加权得到的最终结果，将其作为边坡失稳的风险总系数：

(1)

张小艳等提出的基于塑型运动力学上限速度场的失稳估算公式为式(2)，该公式的基础是拟研究单元内发生的塑性流动对周围的边界会产生相对速度，该速度的表征是塑性力学大小是否为0的最形象表述。失稳的功能函数如下：

(2)

其中u(t)为其中某个单元形心速度，三角形单元符合平均值定理。

每个单元的失稳概率如下：

(3)

整个边坡的失稳概率如下：

(4)

式(4)相比式(2)简化了运算，且考虑了边坡每个单元有可能存在的失效模式，故在工程施工中被广泛应用。

2.3 滑移模式下测算边坡加筋方案主参数

珠江流域堤坝柔性溢洪道的土工袋内装黄土，结合《SL386-2016水利水电工程边坡设计规范》文件要求,根据行业规范将边坡的稳定性安全容许值选择为F=1.05,对应的物理参数列表如表3。

表3 黄土物理参数列表

边坡失稳由边坡滑移导致，且业内通常认为装有黄土的土坡临界滑移模式为库仑模式，库仑滑移模式下采用条分法计算各条块相对底滑面的相对速度分别设为vi-1、vi，并且这两相邻条块之间的相对速度为0(图2)，公式表达为：

vi-1=vi

(5)

vi-1，i=0

(6)

图2 滑移模式相对速度关系

设定Fi和Fe为第i条块的底滑面应力与折减到滑裂面的有效应力，φi和φe分别为内摩擦角和折减到滑裂面的有效内摩擦角，安全系数F为底滑面应力和有效应力的比值，也就是其正切值的比值：

(7)

(8)

加筋后筋材在整个结构体中做的功等于其内部耗散所做的功，据此计算出安全系数F。极限状态下每层筋材的的强度均在最大值，此时的筋材内外功平衡公式如下：

(9)

将式(5)-(8)代入式(9)得出安全系数F。业内较多使用的计算方式是陈祖煜教授编写的STAB软件，据该软件显示柔性溢洪道的临界滑裂面安全系数为0.74，此时对应的边坡边缘长度为1.38 m，但是安全系数较小，需要通过增加边坡长度，也就是加筋长度来提高安全系数，暂取加筋的长度方案为2.1 m(图3)。