周美林，黃倫超，肖 政，賀 立

(1.湖南女子學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410072; 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410076;3.湖南省水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410114;4.廣西壯族自治區(qū)交通勘察設(shè)計(jì)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(jī)械方式向管帶內(nèi)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(shí)的砂料;由管袋堆疊成堤芯，外筑防護(hù)層構(gòu)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(jié)省工程費(fèi)用、可就地取材并利用當(dāng)?shù)卦O(shè)備、降低工程維修費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，不失為一種取代傳統(tǒng)拋石壩工的理想方法。

國(guó)外填充管袋技術(shù)相對(duì)成熟，通常采用圓形管袋，而我國(guó)主要采用扁平型充填管袋筑堤技術(shù)。兩種斷面型式的管袋水流作用的失穩(wěn)機(jī)理不同，圓形管袋丁壩主要是由于傾覆而失穩(wěn)，扁平型管袋丁壩主要是由于層與層之間滑移而失穩(wěn)，有關(guān)國(guó)外所總結(jié)管袋丁壩設(shè)計(jì)的一些規(guī)范、公式不能直接應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的管袋丁壩設(shè)計(jì)。因此，要想進(jìn)一步推廣土工織物填充管袋丁壩技術(shù)在內(nèi)河航道整治工程中的應(yīng)用，就必須要對(duì)扁平型管袋在水流作用下的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行深入研究。本研究利用流固耦合數(shù)學(xué)模型，分析復(fù)雜水流作用下管袋丁壩施工階段的流場(chǎng)、動(dòng)水壓力場(chǎng)和管袋內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)變化情況，為堤壩穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算以及施工期穩(wěn)定性控制提供一定的理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 水流計(jì)算模型

1.1.1 控制方程

連續(xù)方程:

1.1.2 邊界條件

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

1.1.3 離散、求解方法

采用有限體積法對(duì)水流控制方程進(jìn)行離散，通過(guò)較成熟的SIMPLE算法求解速度和壓力場(chǎng)。

1.2 壩體應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算模型

有限單元法求解中，一般是以節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量，通過(guò)節(jié)點(diǎn)平衡方程求出節(jié)點(diǎn)位移，再由位移反推出各單元的內(nèi)力。

節(jié)點(diǎn)平衡方程:

其中:［K］為整體剛度矩陣，{δ}為整個(gè)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移矩陣，{P}為整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)荷載矩陣。

1.3 計(jì)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(gè)施工階段。根據(jù)工程實(shí)踐和以往模型試驗(yàn)成果可知，丁壩邊坡坡地對(duì)丁壩的穩(wěn)定性產(chǎn)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(jìn)行計(jì)算分析。如表1。

表1 計(jì)算工況

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 管袋丁壩施工期流場(chǎng)變化分析

管袋丁壩施工過(guò)程中，由于壩體的存在，使過(guò)壩處的過(guò)水?dāng)嗝鏈p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(chǎn)生分離，同時(shí)由于翻壩水流與壩后靜止水流之間存在的流速梯度而產(chǎn)生的切應(yīng)力，帶動(dòng)壩后靜水開(kāi)始形成副流，此副流上層靠近運(yùn)動(dòng)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(bǔ)充，這樣就在壩下形成一個(gè)很強(qiáng)的回流區(qū)。

圖1～圖3表述了管袋丁壩施工3個(gè)階段的流場(chǎng)變化情況。由圖可知，第一層管袋施工時(shí)，管袋壩前平均流速沿堤身逐漸增加，壩上平均流速達(dá)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(chǎn)生回流。垂線方向上，分層流速壩前服從正常流速分布規(guī)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(tài)紊亂，底層出現(xiàn)回流，流速分布基本上恢復(fù)正常分布規(guī)律。隨著丁壩坡度的增加，壩前水流流速變化逐漸劇烈，對(duì)丁壩的穩(wěn)定性產(chǎn)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(diào)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(tài)。管袋丁壩工程壅水的計(jì)算分析是在整治效果評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要指標(biāo);其施工過(guò)程中的壅水變化，也是一個(gè)重要的參考指標(biāo)。

水流經(jīng)管袋丁壩作用后，一部分動(dòng)能向勢(shì)能轉(zhuǎn)化，從而形成管袋丁壩的壅水。施工過(guò)程中，隨著管袋丁壩的逐層鋪設(shè)，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e逐漸減少，丁壩的阻水效果逐漸加強(qiáng)，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(jiàn)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(dòng)水壓力場(chǎng)分析

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

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(dòng)水壓力分布。由圖可知，施工期管袋丁壩迎、背水面的動(dòng)水壓力存在一定的差異，通常迎水面的動(dòng)水壓力要大于背水面。在施工期第一階段(h=0.08 m)，淹沒(méi)水深比較大，壩高較低，作用在其上的動(dòng)水壓力相對(duì)較少，隨著施工期二、三階段的推進(jìn)(h=0.16 m，h=0.24 m)，其動(dòng)水壓力逐漸增加。從丁壩迎水面動(dòng)水壓力分布圖示可知，丁壩上層的動(dòng)水壓力大于下層，這對(duì)施工期管袋的穩(wěn)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(shì)，且坡頂處壓力值上升速度較快，坡腳處壓力上升速度相對(duì)較慢;壩后數(shù)據(jù)分布并無(wú)明顯規(guī)律，這與該區(qū)域內(nèi)水流下泄產(chǎn)生擾動(dòng)較多、流態(tài)不穩(wěn)定有很大關(guān)系。通過(guò)對(duì)丁壩堤前、堤后壓力分布比較，不難發(fā)現(xiàn)同一壩高和邊坡坡度情況下，壩前動(dòng)水壓力明顯大于壩后動(dòng)水壓力，結(jié)合丁壩的布置特點(diǎn)，可以預(yù)測(cè)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(dòng)水壓力值(m=2.0)

2.4 管袋丁壩壩體應(yīng)力變化分析

隨著施工階段的進(jìn)行，壩體上的外荷載(動(dòng)水壓力)逐步增加，壩體自重增加，因此壩體最大應(yīng)力將隨著施工的進(jìn)行逐漸增加。施工期第一階段，應(yīng)力相對(duì)較小，但該階段水平方向的應(yīng)力需要重點(diǎn)考慮，因?yàn)樵摴r下，管袋的方向的抗滑力相對(duì)較小，容易出現(xiàn)管袋水平滑移現(xiàn)象。隨著施工階段的進(jìn)行，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象集中在管袋丁壩的壩前位置，通常該區(qū)域成為施工過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，與實(shí)際工程施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)管袋迎水面的外翻現(xiàn)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(yīng)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(dòng)水壓力條件差異不多，導(dǎo)致其應(yīng)力場(chǎng)無(wú)明顯區(qū)別。隨著施工二、三階段的進(jìn)行，動(dòng)水壓力條件出現(xiàn)了較大的差異，邊坡較陡的工況(m=1.25)，其最大應(yīng)力大于邊坡較緩的工況，從應(yīng)力場(chǎng)角度不難看出，邊坡較越陡，其穩(wěn)定性越差。見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 施工第一階段X向正應(yīng)力(沿壩高方向，m=1 ∶1.25)

圖8 施工第一階段Y向正應(yīng)力(沿壩高方向，m=1 ∶1.25)

2.5 管袋丁壩壩體應(yīng)變分析

由計(jì)算可知，管袋丁壩施工過(guò)程中，丁壩壩體迎水面區(qū)域往往應(yīng)變較大，通常導(dǎo)致丁壩管袋變形，出現(xiàn)其內(nèi)填充砂發(fā)生變化，影響到管袋丁壩的正常使用，這也是施工過(guò)程中令現(xiàn)場(chǎng)施工人員感到頭疼的問(wèn)題。在施工第一階段，不同壩體邊坡的應(yīng)變變化相對(duì)不大，隨著施工階段的推進(jìn)，坡度較陡的丁壩，其堤內(nèi)應(yīng)變變化較大，影響到管袋丁壩的質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。見(jiàn)圖9～圖11。

圖11 施工第三階段應(yīng)變值(m=1∶1.25)

3 結(jié)論與展望

本研究通過(guò)理論分析和流固耦合數(shù)學(xué)模型結(jié)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(chǎng)變化、作用在丁壩上的動(dòng)水壓力變化以及丁壩壩體應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律。分析結(jié)果可為今后管袋堤壩的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程控制提供參考。

不過(guò)，本次研究中重點(diǎn)考慮了各施工階段管袋堤壩的流場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)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(wěn)定性的因素較多，下一步需要進(jìn)行多因素管袋丁壩施工期穩(wěn)定性研究。同時(shí)本次研究主要分析了淹沒(méi)丁壩施工期的穩(wěn)定性，對(duì)于非淹沒(méi)丁壩，其施工期穩(wěn)定性將更加復(fù)雜，需要開(kāi)展數(shù)學(xué)模型、物理模型和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)相結(jié)合研究手段，開(kāi)展相關(guān)研究。

［1］Pilarezyk K W.Geosynthetics and geosystems in hydraulic and coastal engineering［M］.Rotterdam:Rotterdam:A.A.Balkema，2000.

［2］Report M.Breakwater of concrete filled hosed［R］.DELFT HYDRAULIC LABORATORY，1973.

［3］Fowler Jack.Geotextile tubes and flood control［J］.Geotechnical Fabries Report，1997，15(5):28 －37.

［4］河海大學(xué).聚丙烯編織袋壩沙袋試驗(yàn)［R］.河海大學(xué)科研報(bào)告，1985.

［5］李昌華，孫梅秀，等.漢江土工布沙袋壩/土工布沙墊式軟體排及鋼筋混凝土框架支撐壩的水槽試驗(yàn)研究［R］.南京水利科學(xué)研究院科研報(bào)告，1990.

［6］王文杰，余祈文，等.土工充泥袋拋壩促淤試驗(yàn)研究與實(shí)踐［J］.水利學(xué)報(bào)，2003(2):89－92.

［7］應(yīng) 強(qiáng)，張岱峰，等.沙袋充填度與穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究［J］.泥沙研究，2003(2):44－47.

［8］林 剛，束一鳴，林 勇.充填管袋填筑的原理與實(shí)踐［J］.人民長(zhǎng)江，2005(2):25－27.

［9］林 剛.土工管袋結(jié)構(gòu)壩體在波浪作用下的試驗(yàn)研究［D］.南京:河海大學(xué)，2005.

［10］朱朝榮.管袋丁壩施工期穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［D］.南京:河海大學(xué)，2006.

［11］朱朝榮，束一鳴，汪 軍.扁平管袋丁壩在波浪作用下穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］.人民長(zhǎng)江，2008(1):94－96.

［12］朱朝榮，束一鳴，姜俊紅，等.管袋丁壩在水流作用下的穩(wěn)定性模型試驗(yàn)［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(3):333－336.

［13］汪 軍.波浪作用下管袋丁壩穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［D］.南京:河海大學(xué)，2007.

［14］汪 軍，束一鳴，朱朝榮，等.無(wú)防護(hù)管袋丁壩在波浪作用下的穩(wěn)定性試驗(yàn)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2006，26(S1):76 －79.

［15］劉海笑.管袋丁壩在深水水流作用下的穩(wěn)定性試驗(yàn)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2009(6):67－69.

［16］郁 峰.土工織物在北江丁壩中的應(yīng)用及其穩(wěn)定性分析［J］.人民珠江，2004(3):33－35.