內河充填管袋丁壩施工期穩定性研究

周美林，黃倫超，肖 政，賀 立

(1.湖南女子學院，湖南長沙 410072; 2.長沙理工大學水利工程學院，湖南長沙 410076;3.湖南省水沙科學與水災害防治重點實驗室，湖南長沙 410114;4.廣西壯族自治區交通勘察設計研究院，廣西南寧 530011)

0 引言

土工織物充填管袋丁壩為將土工布縫制成一定尺寸的管袋，采用水力或機械方式向管帶內充填砂性土和水的混合物，多余水分可從土工布孔濾出，填充砂在自重和滲水壓力作用下形成比較密實的砂料;由管袋堆疊成堤芯，外筑防護層構筑成堤壩。土工織物填充管袋具有降低工作量、縮短施工周期、節省工程費用、可就地取材并利用當地設備、降低工程維修費用等優點，不失為一種取代傳統拋石壩工的理想方法。

國外填充管袋技術相對成熟，通常采用圓形管袋，而我國主要采用扁平型充填管袋筑堤技術。兩種斷面型式的管袋水流作用的失穩機理不同，圓形管袋丁壩主要是由于傾覆而失穩，扁平型管袋丁壩主要是由于層與層之間滑移而失穩，有關國外所總結管袋丁壩設計的一些規范、公式不能直接應用于國內的管袋丁壩設計。因此，要想進一步推廣土工織物填充管袋丁壩技術在內河航道整治工程中的應用，就必須要對扁平型管袋在水流作用下的穩定性問題進行深入研究。本研究利用流固耦合數學模型，分析復雜水流作用下管袋丁壩施工階段的流場、動水壓力場和管袋內部應力場變化情況，為堤壩穩定性設計計算以及施工期穩定性控制提供一定的理論依據。

1 數學模型

1.1 水流計算模型

1.1.1 控制方程

連續方程:

1.1.2 邊界條件

上游進口給定進口流速，下游出口處水深、流速依據出口流量變化而變化，采用壓力出口較為合適。上部邊界設定在高程0.5 m處，設定其為壓力邊界。水槽底部和邊壁及壩面均設定為無滑移邊壁。

1.1.3 離散、求解方法

采用有限體積法對水流控制方程進行離散，通過較成熟的SIMPLE算法求解速度和壓力場。

1.2 壩體應力應變計算模型

有限單元法求解中，一般是以節點位移作為基本未知量，通過節點平衡方程求出節點位移，再由位移反推出各單元的內力。

節點平衡方程:

其中:［K］為整體剛度矩陣，{δ}為整個結構的節點位移矩陣，{P}為整體結構的節點荷載矩陣。

1.3 計算工況

本研究選取3種高度的堤壩(模型壩高分別為12、18和24 cm)模擬管袋丁壩的3個施工階段。根據工程實踐和以往模型試驗成果可知，丁壩邊坡坡地對丁壩的穩定性產生較大的影響，因此選取3種堤壩邊坡坡度(分別為 m=1.25、1.5、2)進行計算分析。如表1。

表1 計算工況

2 計算結果分析

2.1 管袋丁壩施工期流場變化分析

管袋丁壩施工過程中，由于壩體的存在，使過壩處的過水斷面減小，壩前水流受阻壅高，比降減小，流速降低，到壩頂處，流速大幅度增大。水流與壩頂產生分離，同時由于翻壩水流與壩后靜止水流之間存在的流速梯度而產生的切應力，帶動壩后靜水開始形成副流，此副流上層靠近運動水流的一部分在主流的攜帶下隨主流一起流向水槽下游，下層的靜水向上補充，這樣就在壩下形成一個很強的回流區。

圖1～圖3表述了管袋丁壩施工3個階段的流場變化情況。由圖可知，第一層管袋施工時，管袋壩前平均流速沿堤身逐漸增加，壩上平均流速達到最大值;隨著第二層管袋的施工，管袋壩前、壩上平均流速較第一階段增加。管袋堤壩水流流速，以迎水面壩頂頂角及壩頂面附近為最大，壩后底層附近產生回流。垂線方向上，分層流速壩前服從正常流速分布規律，即垂線方向上上層流速大下層流速小;迎水面壩頂頂角及壩頂面的流速分布為上層流速小下層流速大。壩后水面流態紊亂，底層出現回流，流速分布基本上恢復正常分布規律。隨著丁壩坡度的增加，壩前水流流速變化逐漸劇烈，對丁壩的穩定性產生較大的影響。

2.2 壅水變化分析

利用整治建筑物壅水是各類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，調整局部河段水面比降、單寬流量及水流流速，改善原河道水流流態。管袋丁壩工程壅水的計算分析是在整治效果評價中的一個重要指標;其施工過程中的壅水變化，也是一個重要的參考指標。

水流經管袋丁壩作用后，一部分動能向勢能轉化，從而形成管袋丁壩的壅水。施工過程中，隨著管袋丁壩的逐層鋪設，過水斷面面積逐漸減少，丁壩的阻水效果逐漸加強，以m=1.25的邊坡為例，上游水面線由0.37 m逐漸增加到0.52 m，壅水逐漸增加(見圖1～圖3)。隨著管袋丁壩坡度的增加，壅水也隨之增加，且壩前水面線沿程變化較大。

2.3 動水壓力場分析

河道整治工程中，作用在丁壩上動水壓力的大小及分布直接影響到丁壩自身的穩定性，其不僅僅與流速有關，也與丁壩本身的斷面型式、丁壩對水流的壓縮比等因素有關。

圖4～圖6分析了不同坡度、不同施工階段下，作用管袋丁壩坡面的動水壓力分布。由圖可知，施工期管袋丁壩迎、背水面的動水壓力存在一定的差異，通常迎水面的動水壓力要大于背水面。在施工期第一階段(h=0.08 m)，淹沒水深比較大，壩高較低，作用在其上的動水壓力相對較少，隨著施工期二、三階段的推進(h=0.16 m，h=0.24 m)，其動水壓力逐漸增加。從丁壩迎水面動水壓力分布圖示可知，丁壩上層的動水壓力大于下層，這對施工期管袋的穩定性有較大的影響。

壩前隨著坡度增大的情況下，壓力值呈上升趨勢，且坡頂處壓力值上升速度較快，坡腳處壓力上升速度相對較慢;壩后數據分布并無明顯規律，這與該區域內水流下泄產生擾動較多、流態不穩定有很大關系。通過對丁壩堤前、堤后壓力分布比較，不難發現同一壩高和邊坡坡度情況下，壩前動水壓力明顯大于壩后動水壓力，結合丁壩的布置特點，可以預測出管袋丁壩施工期破壞的基本模式。

圖6 不同施工階段堤前動水壓力值(m=2.0)

2.4 管袋丁壩壩體應力變化分析

隨著施工階段的進行，壩體上的外荷載(動水壓力)逐步增加，壩體自重增加，因此壩體最大應力將隨著施工的進行逐漸增加。施工期第一階段，應力相對較小，但該階段水平方向的應力需要重點考慮，因為該工況下，管袋的方向的抗滑力相對較小，容易出現管袋水平滑移現象。隨著施工階段的進行，局部應力集中現象集中在管袋丁壩的壩前位置，通常該區域成為施工過程中的薄弱環節，與實際工程施工過程中經常出現管袋迎水面的外翻現象相一致。

不同堤壩邊坡的管袋丁壩，在施工期第一階段其應力差別不明顯，其主要原因是在管袋厚度一樣的情況下，作用在其上的自重力幾乎相同，且在該階段動水壓力條件差異不多，導致其應力場無明顯區別。隨著施工二、三階段的進行，動水壓力條件出現了較大的差異，邊坡較陡的工況(m=1.25)，其最大應力大于邊坡較緩的工況，從應力場角度不難看出，邊坡較越陡，其穩定性越差。見圖7、圖8。

圖7 施工第一階段X向正應力(沿壩高方向，m=1 ∶1.25)

圖8 施工第一階段Y向正應力(沿壩高方向，m=1 ∶1.25)

2.5 管袋丁壩壩體應變分析

由計算可知，管袋丁壩施工過程中，丁壩壩體迎水面區域往往應變較大，通常導致丁壩管袋變形，出現其內填充砂發生變化，影響到管袋丁壩的正常使用，這也是施工過程中令現場施工人員感到頭疼的問題。在施工第一階段，不同壩體邊坡的應變變化相對不大，隨著施工階段的推進，坡度較陡的丁壩，其堤內應變變化較大，影響到管袋丁壩的質量，進而對其穩定性產生較大影響。見圖9～圖11。

圖11 施工第三階段應變值(m=1∶1.25)

3 結論與展望

本研究通過理論分析和流固耦合數學模型結合的研究手段，分析了管袋丁壩施工期在水流作用下的流場變化、作用在丁壩上的動水壓力變化以及丁壩壩體應力、應變變化規律。分析結果可為今后管袋堤壩的設計和施工過程控制提供參考。

不過，本次研究中重點考慮了各施工階段管袋堤壩的流場和應力應變場變化，其影響因素只考慮了管袋丁壩的邊坡影響，影響管袋丁壩穩定性的因素較多，下一步需要進行多因素管袋丁壩施工期穩定性研究。同時本次研究主要分析了淹沒丁壩施工期的穩定性，對于非淹沒丁壩，其施工期穩定性將更加復雜，需要開展數學模型、物理模型和現場觀測相結合研究手段，開展相關研究。

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