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(shè)是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)糧食增產(chǎn)的關(guān)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(shè)力度，建設(shè)出許多高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，對促進(jìn)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(shè)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(gòu)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(yán)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(hù)坡以及干砌石護(hù)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(hù)坡技術(shù)和混凝土襯砌技術(shù)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(shù)逐漸應(yīng)用于排水溝護(hù)坡領(lǐng)域，并取得了良好的工程防護(hù)效果[5]。因此，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的視角展開排水溝道土工袋砌護(hù)邊坡研究具有重要的理論和工程價值?；诖耍敬窝芯坷脭?shù)值模擬的方法，對設(shè)置和不設(shè)置木樁兩種土工袋護(hù)坡方案的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行研究，以期為排水溝道土工袋砌護(hù)邊坡提供必要的建議。

2 數(shù)值模擬模型的構(gòu)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(xì)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(hù)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(hù)坡土工袋砌護(hù)方式為坡腳部位錯縫砌護(hù)四層，上部每層縮進(jìn)20 cm，直至砌護(hù)完成。木樁支擋砌護(hù)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(shè)長60 cm 的竹片，在其后方鋪砌3 層土工袋形成基礎(chǔ)，上部的鋪設(shè)方式與無樁方式相同。

2.2 有限元計算模型的構(gòu)建

以上節(jié)的工程幾何模型為基礎(chǔ)，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(jìn)行三角形網(wǎng)格剖分，以自適應(yīng)的方式進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和加密，在模型的破壞面附近進(jìn)行自動加密。最終，建立的無樁護(hù)坡模型劃分為4297 個網(wǎng)格單元，2243 個計算節(jié)點，有樁護(hù)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(gòu)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(jié)果受到模型材料物理力學(xué)參數(shù)有較大的影響。因此，研究中結(jié)合相關(guān)研究成果、工程經(jīng)驗，以及采樣實驗室試驗相結(jié)合的方式獲取模型材料的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表1。利用OptumG2 中的M-C 本構(gòu)模型以及平面應(yīng)變Mohr-Coulomb屈服函數(shù)進(jìn)行計算，土工袋的接觸界面利用折減系數(shù)對接觸面強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行修正，初始折減系數(shù)設(shè)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(hù)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(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 不考慮滲流的計算結(jié)果與分析

能量耗散是渠道護(hù)坡發(fā)生塑性變形破壞的重要呈現(xiàn)方式，可以將護(hù)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(hù)坡材料強(qiáng)度弱化喪失的過程。由此可見，渠道護(hù)坡的內(nèi)部損傷以及材料強(qiáng)度喪失可以通過能量耗散直接呈現(xiàn)出來。顯然，渠道護(hù)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(hù)坡材料內(nèi)部的塑性變形以及滑動做工。因此，護(hù)坡的變形與能量耗散之間存在良好的線性關(guān)系，也就是剪切耗散越大，對應(yīng)部位的塑性變形也就越嚴(yán)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(jìn)行計算，并利用能量耗散呈現(xiàn)的護(hù)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(hù)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(hù)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(yán)重的塑性變形。圖2（d）是有樁護(hù)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(hù)坡穩(wěn)定性。從具體的數(shù)值計算結(jié)果來看，無樁和有樁護(hù)坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.42 和1.53，有樁護(hù)坡的穩(wěn)定性提升了7.7%。

圖2 不同計算工況下護(hù)坡破壞云圖

3.2 考慮滲流的計算結(jié)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(hù)坡內(nèi)水流向溝道內(nèi)滲流情況下的護(hù)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(chǔ)，進(jìn)一步設(shè)計不同組合的溝道水位和地下水位方案，并進(jìn)行有樁和無樁兩種工況下的護(hù)坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行數(shù)值計算，主要計算結(jié)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(shè)木樁支擋對提升滲流情況下的護(hù)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(hù)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(jié)果進(jìn)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(dāng)?shù)叵滤宦裆顬?85.8 cm 情況下，無樁護(hù)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(dá)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(hù)坡穩(wěn)定性的一個重要因素，在護(hù)坡工程設(shè)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(hù)坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律基本一致，有樁護(hù)坡的位移量均小于無樁護(hù)坡的位移量。因此，從護(hù)坡位移變形的視角來看，增設(shè)木樁支擋對提升滲流情況下的護(hù)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(jié)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(hù)邊坡穩(wěn)定性的作用研究，獲得主要結(jié)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(hù)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(hù)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(hù)坡的位移量，說明增設(shè)木樁支擋對提升滲流情況下的護(hù)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(hù)坡的穩(wěn)定性具有比較顯著的效果，因此可以在工程設(shè)計中選用。