木樁支擋對排水溝道土工袋砌護邊坡穩(wěn)定性作用研究

劉 晶

（伊犁哈薩克自治州南岸干渠灌區(qū)管理處，新疆 伊寧 835000）

1 研究背景

農(nóng)田水利建設是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境質(zhì)量，促進糧食增產(chǎn)的關鍵因素。近年來，我國各級政府不斷加大資金投入和大農(nóng)田水利建設力度，建設出許多高標準農(nóng)田，對促進農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)民增收起到了十分重要的作用[1]。在這其中，排水溝發(fā)揮著十分重要的作用，不僅排除地表的多余水分和殘留農(nóng)藥，還對生態(tài)凈水建立有著重要價值[2]。在我國的新疆地區(qū)，除了部分大農(nóng)場和灌區(qū)之外，基本上都是零星地塊。因此排水溝往往長度較長，給建設管理帶來了一定的難度。此外，新疆地區(qū)的土壤主要是河流的沖積與河湖沉積物構成，存在大量的粉質(zhì)和淤泥質(zhì)土層，部分沿河地帶還存在有分布不均的流沙層，因而造成比較嚴重的農(nóng)田排水溝道滑塌現(xiàn)象[3]。在農(nóng)田排水溝道治理方面，傳統(tǒng)的草木土樁護坡以及干砌石護坡普遍存在耐久性差的情況，一般兩三年就會發(fā)生局部破壞，而塊石鉛絲籠格賓護坡技術和混凝土襯砌技術存在工程造價高的問題[4]。近年來許多灌區(qū)將土工袋技術逐漸應用于排水溝護坡領域，并取得了良好的工程防護效果[5]。因此，從結構設計的視角展開排水溝道土工袋砌護邊坡研究具有重要的理論和工程價值。基于此，本次研究利用數(shù)值模擬的方法，對設置和不設置木樁兩種土工袋護坡方案的穩(wěn)定系數(shù)進行研究，以期為排水溝道土工袋砌護邊坡提供必要的建議。

2 數(shù)值模擬模型的構建

2.1 工程原型

本次研究以新疆伊犁哈薩克自治州南岸干渠灌區(qū)某段排水溝道為例展開研究。該段溝道位于伊犁河沿岸沖積區(qū)，以粉質(zhì)壤土和粉細砂為主，地面下150 cm～200 cm 部位分布有30 cm～60 cm 厚的流沙層。溝道砌護之前的斷面尺寸具體為溝深2.0 m，溝底寬2.0 m，邊坡系數(shù)為1∶1.5。無樁支擋護坡土工袋砌護方式為坡腳部位錯縫砌護四層，上部每層縮進20 cm，直至砌護完成。木樁支擋砌護方式為坡腳部位每間隔40 cm 打入經(jīng)過碳化防腐處理的長2.0 m 的木樁，緊貼木樁鋪設長60 cm 的竹片，在其后方鋪砌3 層土工袋形成基礎，上部的鋪設方式與無樁方式相同。

2.2 有限元計算模型的構建

以上節(jié)的工程幾何模型為基礎，利用ANSYS10.0 有限元軟件建立渠道坡體的數(shù)值模擬計算模型[6]。對模型進行三角形網(wǎng)格剖分，以自適應的方式進行網(wǎng)格的劃分和加密，在模型的破壞面附近進行自動加密。最終，建立的無樁護坡模型劃分為4297 個網(wǎng)格單元，2243 個計算節(jié)點，有樁護坡的網(wǎng)格單元個數(shù)為4276 和，節(jié)點數(shù)量為2228 個，有限元模型如圖1 所示。模型構建過程中對土工袋部分按照土工絲織物加筋的方式處理，絲織物的重量忽略不計且具有良好的透水性，與周圍土體接觸面的摩擦角按照33.46°計算[7]。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 計算參數(shù)與邊界條件

模擬計算的結果受到模型材料物理力學參數(shù)有較大的影響。因此，研究中結合相關研究成果、工程經(jīng)驗，以及采樣實驗室試驗相結合的方式獲取模型材料的物理力學參數(shù)，結果見表1。利用OptumG2 中的M-C 本構模型以及平面應變Mohr-Coulomb屈服函數(shù)進行計算，土工袋的接觸界面利用折減系數(shù)對接觸面強度參數(shù)進行修正，初始折減系數(shù)設定為0.85[8]；木樁與圖和土工袋的接觸界面視為兩個不同的層，并與連接件相連接，其軸向、法向和樁端的相互作用的系數(shù)分別0.5、0.5 和5。研究中將溝道護坡的滲入情況視為無限滲流，底部的浸水邊界上的壓力為已知，而自由表面的位置不確定，需要通過迭代過程計算，并將其作為解的一部分。

表1 材料物理力學參數(shù)

3 計算結果與分析

3.1 不考慮滲流的計算結果與分析

能量耗散是渠道護坡發(fā)生塑性變形破壞的重要呈現(xiàn)方式，可以將護坡內(nèi)部的微小缺陷的閉合、新裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展、演變以及護坡材料強度弱化喪失的過程。由此可見，渠道護坡的內(nèi)部損傷以及材料強度喪失可以通過能量耗散直接呈現(xiàn)出來。顯然，渠道護坡在各種荷載作用下發(fā)生變形和破壞的過程，本質(zhì)上就是能量的耗散和釋放的過程。另一方面，上述過程中耗散的能量主要來自于護坡材料內(nèi)部的塑性變形以及滑動做工。因此，護坡的變形與能量耗散之間存在良好的線性關系，也就是剪切耗散越大，對應部位的塑性變形也就越嚴重。由于研究區(qū)旱季的地下水位較深，一般在-2.0 m～2.5 m 之間，溝道的水位為0 m，不存在滲流情況。因此，研究主要對于有樁和無樁兩種方案下的穩(wěn)定性進行計算，并利用能量耗散呈現(xiàn)的護坡破壞過程中的破壞面位置，最終獲得如圖2 所示的基于能量耗散的破壞模式示意圖。

圖2（b）為無樁護坡剪切破壞后的云圖，可以看出其中存在比較明顯的弧形剪切耗散帶，說明護坡內(nèi)部存在一個比較明顯的破壞面，特別是破壞面和流沙軟弱層的接觸部位顏色最淺，說明該部位已經(jīng)發(fā)生了比較嚴重的塑性變形。圖2（d）是有樁護坡剪切破壞后的云圖，由圖可知，其剪切耗散比較大區(qū)域主要是坡腳與靠近土工袋的坡體中部，說明上述部位已經(jīng)發(fā)生塑性變形。但是，相對于無樁工況，有樁工況下的塑性變形要輕微，說明木樁支擋能夠有效提升護坡穩(wěn)定性。從具體的數(shù)值計算結果來看，無樁和有樁護坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.42 和1.53，有樁護坡的穩(wěn)定性提升了7.7%。

圖2 不同計算工況下護坡破壞云圖

3.2 考慮滲流的計算結果與分析

研究溝段的地下水位在雨季會有明顯的升高，因此在計算過程中必須要考慮護坡內(nèi)水流向溝道內(nèi)滲流情況下的護坡穩(wěn)定性。在模型計算過程中，以地下水位和溝道內(nèi)水位的實際數(shù)據(jù)為基礎，進一步設計不同組合的溝道水位和地下水位方案，并進行有樁和無樁兩種工況下的護坡穩(wěn)定系數(shù)進行數(shù)值計算，主要計算結果見圖3。由圖可知，在不同地下水位埋深條件下，如果溝內(nèi)水位相同，則有樁工況的穩(wěn)定性系數(shù)都明顯大于無樁工況，說明增設木樁支擋對提升滲流情況下的護坡穩(wěn)定性具有比較顯著的效果。

圖3 考慮滲透作用條件下護坡穩(wěn)定性系數(shù)曲線

對不同地下水位和溝道水位組合條件下的溝底0 m 部位的位移量計算結果進行提取，繪制出如圖4 所示的不同水位條件下位移值變化曲線。由圖4 可知，當?shù)叵滤宦裆顬?85.8 cm 情況下，無樁護坡在不同溝道水位條件下的位移量均明顯偏大，且溝道水位為36 cm 的條件下位移量達到最大值，為8.597 mm。此外，在有樁和無樁工況下，位移量均會隨著地下水位和溝道水位水位差的減小為減小。因此，可以發(fā)現(xiàn)滲流是影響護坡穩(wěn)定性的一個重要因素，在護坡工程設計中必須要予以足夠的重視。從有樁和無樁兩種工況的對比來看，位移的變化規(guī)律與護坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律基本一致，有樁護坡的位移量均小于無樁護坡的位移量。因此，從護坡位移變形的視角來看，增設木樁支擋對提升滲流情況下的護坡穩(wěn)定性具有比較顯著的優(yōu)勢。

圖4 不同水位差溝底0 m 部位的位移曲線

4 結論

本文以新疆伊犁哈薩克自治州南岸干渠灌區(qū)某段排水溝道為例，利用數(shù)值模擬計算的方法，展開木樁支擋對排水溝道土工袋砌護邊坡穩(wěn)定性的作用研究，獲得主要結論如下：

（1）從能量耗散的特征來看，有樁工況下的塑性變形相對較輕微，護坡的穩(wěn)定性提升了7.7%左右，說明木樁支擋能夠有效提升護坡穩(wěn)定性。

（2）在不同地下水位埋深條件下，如果溝內(nèi)水位相同，則有樁工況的穩(wěn)定性系數(shù)都明顯大于無樁工況，而位移量均小于無樁護坡的位移量，說明增設木樁支擋對提升滲流情況下的護坡穩(wěn)定性具有比較顯著的效果。

（3）綜上，木樁支擋對提升排水溝道土工袋護坡的穩(wěn)定性具有比較顯著的效果，因此可以在工程設計中選用。