河道堤防加固技术研究

何 华

（安庆市长江河道管理处一分处，安徽 安庆 246003）

河道安全防护是河道管理的重要内容，对沿河两岸居民的生产生活具有十分重要的意义。在河道安全中，堤防的坚固性是确保河水不外溢蔓延的关键工作[1]。对大多数河道工程来说，河道两侧土质因为受到河水浸泡会出现含水量高、土质变软和强度削弱等问题，导致建筑在其上的堤防工程安全系数降低[2]。如果不及时进行加固处理，软土化的土质会进一步流变或者触变，出现较大幅度地沉降，降低堤防边坡稳定性、安全性。这种情况进一步加剧，不仅会干扰堤防的正常使用，严重时可能出现堤防垮塌、河水外溢等严重事故[3]。因此，对堤防失稳机理进行分析，有针对性地进行加固，可以保障堤防工程安全。从现有的堤防加固技术来看，更多地需要对现场河道两侧土样进行检测，通过土质分析后设计加固方案。通过加固方案的样例试验，对其中的不足进行反复修正，最终确定现场实际采用的方案。该文以排水板堆载进行加固处理，进而对其加固增强机理进行分析，并通过有限元仿真分析代替样例方案测试。通过该文的工作可以为河道堤防加固提供借鉴。

1 河道堤防加固方案

河道堤防加固最关键的是提升地基及周围土质强度。堤防地基土质尤其是靠河水内侧，因为长期被侵泡，会形成淤泥、黏性较大的软土性质，必须大幅度提升其强度，才能保证堤防稳固，保障安全。加固方法是加入粉土或回填土，从而减少土质结构中的含水量和土质黏性。但是从加固的过程来看，原黏性土质中的水分无法快速排出，同时在使用粉土和回填土的过程中，一方面要精准地控制比例，另一方面，无法大幅度提升强度。

针对上述问题，该文在传统的粉土、回填土掺入加固的基础上，以排水板插入作为加固骨架。因排水板为塑料材质，从而可以大幅度提升堤防强度，减少堤防地基的沉降。同时，排水板具有排水能力，在排水板上方施加压力，可以进一步加速掺杂土质内水分排出，从而大大提升堤防加固处理的效率。

该文对河道堤防的加固方案如图1 所示。图1 中，小方块A 为整个堤防地基土质中的潜层土质分布，小方块B 为整个堤防地基土质中的中层土质分布，小方块C 为整个堤防地基土质中的深层土质分布。

图1 河道堤防的加固方案

从图1 中可以看出，每条排水板垂直插入河道堤防地基的土质中，各条排水板按照一定的间隔均匀排布。图1 是排水板插入的正视图。实际上，地基内插入的排水板是多层。排水板上方，堆加负载、施加预压力，从而可以将地基土质中的水分快速排出。

为了保证多层排水板排布的均匀性，可以按照规则的几何形状进行排布，例如正六边形形状或者正方形形状，如图2 所示。

图2 垂直方向上多层排布的排水板

如图2（a）所示，7 个排水板垂直插入地基土质中，其中1 个排水板位于正六边形的中心，另外6 个排水板分别位于正六边形的各个角点。如图2（b）所示，9 个排水板垂直插入地基土质中，将整个加固小区域划分为9 个小方格，每个小方格内插入1 条排水板。采用上述2 种方案，通过均匀排布，可以达到更好的加固效果。

在多排水板均匀分布的情况下，再连同上部施加的压力，使堤防地基土质中的水分不断向中心聚集。这样，每个排水板都具有排水的功能，对图2（a）中的正六边形排布来说，其排水性能的直径可以按照下面的公式（1）计算。

式中：d为一个排水板的等效排水直径；S为一个排水板的等效排水面积。对图2（b）中的正方形排布来说，其排水性能的直径与公式（1）的计算方法相同。

2 河道堤防加固机理

在该文的河道堤防加固方案设计中，以排水板结合顶部预应力的做法同时考虑了堤防基土的排水问题和加固问题。排水板为塑料材质，其具有比淤泥、松散土质更高的强度，再施加顶部压力，可以起到快速沉降的作用，使河道堤防的基土在更短的时间内完成固结，这也是提高强度的一种措施。在基土中插入排水板，除了起到加固作用以外，还相当于形成了一个个独立的排水通道，再通过顶部压力的作用，土质中的水分快速流出，具有更好的排水效果。

在上述方案中，应力之间的关系如公式（2）所示。

式中：σ为河道地基基土中的总应力的大小；σ'为河道地基基土中的有效应力的大小；u为河道地基基土中的孔隙水压力的大小。

对公式（2）所示的应力关系进一步进行微分处理，可以得到公式（3）。

式中：σ为河道地基基土中的总应力的大小；σ'为河道地基基土中的有效应力的大小；u为河道地基基土中的孔隙水压力的大小；dσ为河道地基基土中的总应力的微分形式； dσ'为河道地基基土中的有效应力的微分形式；du为河道地基基土中的孔隙水压力的微分形式。

对应于上述的应力关系，该文采用俄排水板结合顶部施加压力的方法，其核心操作为增大河道地基基土中的有效应力，从而使相对松散的基土土质快速固结，从而达到加固河道堤防的效果。根据公式（2）和公式（3）可知，要增大河道地基基土中的有效应力，可以采取2 种方式：1）增大河道地基基土中的总应力。2）减少河道地基基土中的孔隙水压力。但是，基土土质一般很难再减少孔隙压力，因为其孔隙压力基本已经达到临界状态。在这种情况下，增大基土土质的总压力是一种比较现实的做法。这也是该文在排水板上方施加压力的原因，这样可以间接达到增大基土土质总压力的效果。

根据应力关系的微分效果，在开始阶段，当河道堤防基土土质总压力增量为dσ时，土质中的水分尚未排出，基土土质总压力的增量完全孔隙水应力的增加相对应。这时，虽然河道堤防基土土质总压力增加，但是道堤防基土土质的有效应力并未增加。随着道堤防基土土质总压力持续增加，土质中的水分被排出，孔隙水压力无法增加并维持在相对稳定的状态。这时，河道堤防基土土质总压力完全对应于基土土质有效应力的增加，达到加固地基的目的。施加顶部压力达到的应力变化效果如图3 所示。

图3 顶部施加压力后的应力增加效果

如图3 所示，当顶部施加压力以后，河道堤防地基土质中的有效应力开始增大，最终增加量以及达到的新的有效应力数值可以从图中2 个区域面积的变化得出。

3 河道堤防加固效果的有限元分析

在前面的工作中提出多层排水板均匀排布结合顶部施加压力的加固方案，并对其加固机理进行分析。接下来的工作是验证河道堤防的加固效果，这里采用有限元分析作为仿真工具。

使用有限元分析软件对河道堤防加固效果的分析具有比较突出的优势，主要包括以下4 个方面：1）采用有限元分析软件，可以有针对性地设计土质模型，对土质结构、土质应力特性、土质应变情况、土质剪切膨胀情况和屈服变化来说，都有非常好的针对性。2）采用有限元分析软件可以设计流体模型，该模型可以相应地表示河道堤防地基中孔隙的水压力、渗流现象。3）有限元分析软件，对土质结构中的分层次特征、层间接触和层间滑移，都可以进行处理。4）有限元分析软件对边界条件、初始条件、载荷情况，都可以进行灵活设置。

在顶部施压的过程中，河道堤防的基土土质会产生应变，其中的应变包括弹性变性产生的应变和塑性变形产生的应变，这些变化需要提交给有限元分析软件，如公式（4）所示。

式中：ε为河道堤防的基土土质产生的总应变大小；εe为河道堤防的基土土质产生的弹性应变大小；εp为河道堤防的基土土质产生的塑性应变大小。其中，弹性应变是可以恢复的，塑性应变是不能恢复的。

公式（4）可以进一步写成微分形式，如公式（5）所示。

式中：ε为河道堤防的基土土质产生的总应变大小；εe为河道堤防的基土土质产生的弹性应变大小；εp为河道堤防的基土土质产生的塑性应变大小；dε为河道堤防的基土土质产生的总应变的微分形式；εe为河道堤防的基土土质产生的弹性应变的微分形式；εp为河道堤防的基土土质产生的塑性应变的微分形式。

在上述各种准备条件后，使用有限元分析软件建立河道堤防的仿真模型，如图4 所示。

图4 河道堤防的仿真模型

图4为有限元分析模型，河道堤防在垂直方向上的位移或位移趋势，受到堤防底部和堤防两侧边界限制；河道堤防在水平方向上的位移或位移趋势，受到堤防两侧边界限制；河道堤防的顶部为自由状态，没有限制条件，但因重力作用也不会产生向上的位移或位移趋势；在整个河道堤防中，原有的载荷呈现均匀分布。

经过该文的方法进行加固处理后，河道堤防的应力变化情况，如图5 所示。

图5 加固后河道堤防的应力变化

从图5 可以看出，除了对土质内的排水板进行加固外，还在顶部施加压力加速堤防加固的过程。因为顶部压力的增大，堤防内部压力出现了明显的变化，所以起到了加固的作用，也达到沉降排水的目的。

进一步比较加固前后河道堤防的整体安全系数，加固前的堤防安全系数为1.015，加固后的堤防安全系数达到了1.578，堤防安全性有了非常明显的提升。

4 结论

河道堤防是水利工程的重要组成部分，其稳定性和安全性关系到正常生产和生活秩序。该文针对河道堤防加固问题，提出了1 种多层排水板均匀排布结合顶部施加压力的加固方案。在这种方案中，排水板可以采用六边形排布或正方形排布，在提高加固效果的同时还能排出土质中的水分。通过顶部施加压力，可以进一步加速土质中的水分排出，提升土质沉降和加固的效率。通过加固机理分析可知，该文提出的加固方案可以提升土质内的有效应力，从而达到加固的效果。使用有限元分析软件进行仿真试验，证实了采用该文方法对河道堤防进行加固处理，可以提升河道堤防的安全性。