河堤生態(tài)加筋擋墻受孔隙水影響的靜水力學(xué)試驗(yàn)研究

陳 濤

(遼寧澤峰水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 沈陽 110003)

河道生態(tài)治理近些年來成為流域綜合治理的重要措施，也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題[1]。河道堤防早期綜合治理考慮生態(tài)措施較少，而隨著當(dāng)前流域生態(tài)綜合治理理念的提出，河道堤防生態(tài)綜合治理要求越來越高，近些年來生態(tài)加筋擋墻既能充分考慮河道堤防生態(tài)功能又能滿足防洪穩(wěn)定要求，在國內(nèi)一些河道堤防綜合治理工程中得到應(yīng)用[2-8]。一些研究成果[9-15]均表明河道堤防加筋擋墻受孔隙水靜力壓強(qiáng)影響明顯，需要結(jié)合物理模型試驗(yàn)對(duì)其河道堤防生態(tài)加筋擋墻受孔隙水靜力影響進(jìn)行分析，從而提高生態(tài)加筋擋墻設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。為提高遼寧地區(qū)河道堤防生態(tài)治理設(shè)計(jì)的科學(xué)性，采用靜力學(xué)試驗(yàn)的方式對(duì)河堤生態(tài)加筋擋墻受孔隙水的影響進(jìn)行分析。研究成果對(duì)于河道生態(tài)治理設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

1 孔隙水靜力影響計(jì)算方法

生態(tài)加筋擋墻靜力影響主要采用土壓力系數(shù)來進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中，Ka—靜水壓力系數(shù)；θ和φ—生態(tài)筋擋墻水平夾角和內(nèi)摩擦角，(°)。當(dāng)柵格垂向距離在6m以下第i層生態(tài)加筋擋墻的土層壓力系數(shù)計(jì)算方程為：

(2)

式中，Ki和Kj′—不同層級(jí)下受孔隙水影響的壓力系數(shù)；Zi—第i根生態(tài)加筋擋墻縱向深度，m。當(dāng)柵格垂向距離在6m以上第i層生態(tài)加筋擋墻的土層壓力系數(shù)計(jì)算方程為：

(3)

生態(tài)加筋擋墻面板的垂向壓力在土層靜力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上的計(jì)算方程為：

σzi=Kiγzi

(4)

生態(tài)加筋擋墻垂向壓力計(jì)算方程為：

(5)

式中，q—加筋柵格單位強(qiáng)度，KPa；Lc—生態(tài)擋墻荷載單元加筋寬度，m；Lci—擴(kuò)散性荷載在垂向方向上的荷載，KPa。水平方向生態(tài)加筋擋墻壓力計(jì)算方程為：

∑σEi=σzi+σai

(6)

其中，σEi—總壓力在水平方向值，KPa；不同柵格垂直方向拉力計(jì)算方程為：

Ti=∑σEi·Sy

(7)

其中，Ti—總壓力在垂直方向值，KPa。生態(tài)加筋擋墻在垂直距離上的抗拔強(qiáng)度計(jì)算方程為：

(8)

式中，Tpi—抗拔強(qiáng)度垂直方向值，KPa；f′—在摩擦系數(shù)在不同土層之間的值；bi—柵格之間的間距，m；Lai—錨固?hào)鸥竦拈L度，m。生態(tài)加筋擋墻的靜力穩(wěn)定性采用理論模型進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算：

Tpi>γ0γR1γQ1Ti

(9)

其中，γ0—強(qiáng)度系數(shù)；γR1—加筋擋墻強(qiáng)度折減系數(shù)；γQ1—壓力荷載單位系數(shù)。生態(tài)加筋擋墻受孔隙水靜力影響計(jì)算方程為：

TK>γ0γR1γfγR2Ti

(10)

式中，γR2—加筋擋墻中柵格調(diào)節(jié)抗拉系數(shù)；γf—單元柵格調(diào)節(jié)抗拉系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方案

堤防生態(tài)加筋擋墻受孔隙水影響主要從穩(wěn)定性和充水破壞兩種試驗(yàn)方式進(jìn)行力學(xué)特性的分析，從生態(tài)加筋擋墻不同縱向深度進(jìn)行其穩(wěn)定性的分析。生態(tài)加筋擋墻靜水壓力采用充水試驗(yàn)進(jìn)行不同充水方式下的穩(wěn)定性分析，并對(duì)不同鋼筋規(guī)格下的透水程度進(jìn)行透水試驗(yàn)分析。

2.2 生態(tài)加筋擋墻受孔隙水影響的穩(wěn)定性分析

結(jié)合靜力學(xué)模型對(duì)生態(tài)加筋擋墻不同縱向深度下的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 生態(tài)加筋擋墻在不同縱向深度下受孔隙水影響試驗(yàn)分析結(jié)果

從生態(tài)加筋擋墻在不同縱向深度下受孔隙水影響試驗(yàn)分析結(jié)果可看出，生態(tài)加筋擋墻隨著縱向深度的遞增其穩(wěn)定系數(shù)總體在0.45～0.65之間，具有相對(duì)較為穩(wěn)定的變幅區(qū)間。穩(wěn)定系數(shù)當(dāng)縱向深度增加到1.62m深度后逐步趨于0.45的穩(wěn)定變化，河道堤防迎水面靜水壓力逐步趨于穩(wěn)定值。此外從試驗(yàn)結(jié)果還可看出，生態(tài)加筋擋墻受孔隙水影響其靜力隨著縱向深度變化逐步遞減，這也是其受孔隙水靜力影響穩(wěn)定系數(shù)趨于穩(wěn)定變幅的主要原因，生態(tài)加筋擋墻的穩(wěn)定性在縱向深度達(dá)到1.62后逐步趨于峰值變化。

2.3 生態(tài)加筋擋墻在不同充水方式下破壞試驗(yàn)

在生態(tài)加筋擋墻在不同縱向深度穩(wěn)定性試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)生態(tài)加筋擋墻在不同充分方式下的破壞程度進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 生態(tài)加筋擋墻在不同充水試驗(yàn)方式下的破壞程度

從生態(tài)加筋擋墻在不同充水試驗(yàn)方式下的破壞程度試驗(yàn)結(jié)果可看出，河道堤防在相同壓力條件下在充水方式下的孔隙水靜水壓力破壞程度高于非充水方式，在水平和垂直方向上生態(tài)加筋擋墻在不同充分方式下均呈現(xiàn)顯著遞增變化，生態(tài)加筋擋墻在半充水和充滿水兩種方式下的破壞度峰值σmax均要高于40MPa，生態(tài)加筋擋墻在非充水方式下隨著靜水壓力的不斷增加其峰值破壞程度逐步遞增。

2.4 生態(tài)加筋擋墻在透水試驗(yàn)

在生態(tài)加筋擋墻受孔隙水靜力影響和充水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其加筋擋墻的透水試驗(yàn)進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表3 生態(tài)加筋擋墻不同鋼筋規(guī)格下的透水試驗(yàn)結(jié)果

從生態(tài)加筋擋墻不同鋼筋規(guī)格下的透水試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著靜水壓力水頭的增加，生態(tài)加筋擋墻不同鋼筋規(guī)格下透水率遞增較為顯著，不同方向靜水壓力隨著生態(tài)加筋擋墻鋼筋直徑的遞增而顯著增加，不同鋼筋規(guī)格下的透水率也逐步遞增。此外從試驗(yàn)結(jié)果還可看出，在相同孔隙水水頭下，生態(tài)加筋擋墻的透水率隨著鋼筋直徑的遞增而呈現(xiàn)顯著增加變化。

2.5 生態(tài)加筋擋墻在不同充水方式下的破壞強(qiáng)度峰值試驗(yàn)

對(duì)生態(tài)加筋擋墻不同充水方式下的破壞度峰值進(jìn)行有效性試驗(yàn)，各充分方式下的試驗(yàn)結(jié)果見表4—5。

表4 生態(tài)加筋擋墻破壞度峰值在非充水方式下的有效試驗(yàn)值

表5 生態(tài)加筋擋墻破壞度峰值在充水方式下的有效試驗(yàn)值

從生態(tài)加筋擋墻破壞度峰值在充水和非充水方式下的有效試驗(yàn)值可看出，河道堤防生態(tài)加筋擋墻在充水和非充水方式下有效破壞度峰值具有較大差異性，有效破壞度峰值在非充水方式下隨著孔隙壓力增加而逐步增加，河道生態(tài)加筋擋墻在充水方式下破壞度峰值在隨著孔隙水靜水壓力影響其變幅要明顯高于非充水方式。

3 結(jié)論

(1)河道生態(tài)加筋擋墻堤防穩(wěn)定性受孔隙水壓力影響不明顯，主要受充水方式影響較大，當(dāng)其加筋擋墻迎水面板達(dá)到設(shè)計(jì)縱深后其堤防穩(wěn)定系數(shù)不再變化。

(2)河道堤防生態(tài)加筋擋墻半充水和全充水方式下有效破壞度峰值變化差異加大，在施工設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量選擇半充水方式對(duì)其有效破壞度峰進(jìn)行靜力試驗(yàn)。

(3)河道堤防生態(tài)加筋擋墻透水率受鋼筋直徑大小影響顯著，建議選擇鋼筋直徑在20mm～25mm作為首選直徑，從而降低其透水率。