基于不同護坡形式的洞庭湖堤岸穩定性對比分析

何懷光，陳星佑，潘雨齊，周 雙，張 聰

（1.湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007；2.中南林業科技大學，湖南 長沙 410004）

引 言

水域堤岸長期受到水流沖刷、波浪侵蝕等影響極易發生崩塌、水土流失等災害，為此，工程上一般對堤岸進行護坡防護來提高其穩定性，常見的堤岸護坡方法主要有混凝土砌塊、混凝土板、砌石、網狀物、綠色駁岸砌塊等[1～3]。其中，綠色駁岸砌塊因具有良好的生態效應、優美的建筑外觀而被推廣應用，但該類護坡形式較之傳統的護坡形式對堤防穩定的影響仍需要進一步探究。

目前，國內外許多學者圍繞堤岸護坡穩定性進行了深入研究。例如，占超[4]從岸坡穩定性的角度對沂河的堤岸土體組成進行了穩定性分析；郭觀明[5]對放坡的坪山河堤岸進行穩定性分析，計算堤岸的穩定安全系數；劉動[6]通過莫爾-庫倫本構模型，對鋪設拋石的堤岸進行穩定性分析；朱芳清[7]通過FLAC 3D軟件，對錨桿支護的邊坡進行了穩定性分析；邱笑[8]通過擬靜力法對砌塊護坡進行穩定性分析；王廣瑩[9]對不同坡度的“植物樁+散粒塊石”堤岸護坡進行了穩定性分析；謝武軍[10]通過Slide軟件，對邊坡進行了穩定性計算，確定邊坡的最危險滑動面；曾昌海[11]對框架式微型樁加固的河岸進行了穩定性分析。綜上可知，國內外學者在傳統堤岸護坡穩定性評價方面取得了豐碩的成果，但針對綠色駁岸砌塊護坡穩定性評價則相對較少，尤其是湖區水位變化較為顯著的復雜堤岸環境下如何選取合理的堤岸護坡形式仍較少。

鑒于此，本文以洞庭湖堤岸為工程依托，基于強度折減法，采用COMSOL數值模擬軟件，對天然護坡、混凝土砌塊護坡、生態砌塊護坡三種不同的典型護坡形式進行堤岸穩定性分析，以期為洞庭湖堤岸選取最合理的護坡形式。

1 工程背景及模型構建

1.1 工程背景

洞庭湖是我國極具特色的大型淡水湖泊，兼具有緩解長江中下游地區洪澇災害、減小長江干流的沖淤變遷、維系兩湖地區蓄泄和泥沙沖淤平衡等功能，是湖南水利安全、糧食安全和生態安全的重要基地。護城垸位于洞庭湖區，西南臨藕池河東支，東靠華容河，垸內總面積364.6 km2。其中，一線大堤分藕池河、華容河，總長82.816 km，南堤長6.974 km，合計89.79 km，堤防級別為Ⅱ級，建筑物級別Ⅱ級。

1.2 模型構建與網格劃分

采用COMSOL Multiphysics對洞庭湖區某坡面進行穩定性分析。考慮邊界尺寸，建立的模型長70 m、高14.5 m，地層從上至下依次為素填土（厚度6 m）、粉質粘土（3.7 m）、淤泥粉質粘土（1.8 m）、基巖（3 m）；模型底部為固定約束，模型兩邊為輥支撐，共劃分4 533個域單元和772個邊單元，采用三角形自由網格進行劃分（如圖1所示）。本文選取三種典型護坡形式開展數值計算：①堤岸未進行護坡；②采用10 cm厚的混凝土砌塊護坡；③采用生態砌塊護坡。

圖1 模型構建與網格劃分

1.3 參數選取與求解

通過對現場堤岸的地質勘察，得到的堤岸土層相關參數見表1。此外，為了考慮生態砌塊護坡時植被根系穩定堤岸的作用，護坡層厚度取30 cm，不同土層根系作用后護坡層物理力學性能見表2。數值計算模型采用迭代式求解器進行求解。

表1 各土層物理學指標

表2 不同土層根系作用后的物理力學指標

2 堤岸穩定性計算結果分析

2.1 安全系數對比分析

基于強度折減法獲得了三種典型護坡形式下的堤岸最小安全系數，計算結果如圖2所示。

圖2 三種護坡形式下堤岸強度折減系數

由圖2可知，在天然護坡、混凝土砌塊護坡、生態砌塊護坡下洞庭湖堤岸最小安全系數分別為1.525、1.66、1.895。由此可知，洞庭湖堤岸采用生態砌塊護坡穩定性較混凝土砌塊護坡好，且相對于天然堤岸其穩定性提高幅度達24.3%。

2.2 塑性變形區對比

塑性變形區是堤岸是否失穩破壞的重要評價指標。為此，計算獲得了三種典型護坡形式下堤岸最小安全系數的塑性變形區云圖，見圖3。由圖3可知，三種護坡的最大塑性形變區主要位于堤身與基巖分界處，為此在進行堤岸防護時應對此區域進行重點防護，以提高堤岸安全性。

圖3 堤岸最小安全系數的塑性變形區

2.3 滑動位移對比分析

計算獲得了三種典型護坡形式下堤岸最小安全系數的滑移面，見圖4。

由圖4可知，天然護坡形式下滑移區主要位于水位線以下，且位移量明顯大于水位線以上；混凝土砌塊護坡滑移面主要位于土層分界面，且位移量小于天然護坡形式；相比于混凝土砌塊護坡形式，生態駁岸砌塊護坡時堤岸滑移面面積減小，整體滑移顯著減小。

圖4 不同護坡形式下堤岸的滑移面

3 結論

1）生態駁岸砌塊是一種可行的洞庭湖區堤岸護坡形式。計算結果表明，天然護坡、混凝土砌塊護坡、生態砌塊護坡下洞庭湖堤岸最小安全系數分別為1.525、1.66、1.895。相較于其他兩種護坡形式，生態砌塊護坡穩定性分別提升了24.3%與14.16%。

2）三種護坡形式下堤岸最大塑性形變區均位于堤身與基巖分界處，故護坡工程應重點針對該區域，以提高堤岸安全性。此外，生態駁岸砌塊護坡時堤岸滑移面面積減小，整體滑移也相對較小，天然護坡形式下堤岸滑移區主要位于水位線以下，且位移量明顯大于水位線以上，而混凝土砌塊護坡滑移面主要位于土層分界面，且位移量小于天然護坡形式。