通过仿真预测护岸结构的变形

Caty Fairclough 2017年 4月 3日

居住在水道附近的人们可以通过修建堤坝来避免洪水的破坏性影响,使用护岸结构可以使堤坝更加安全。然而,土壤压力、水位波动和地下水渗漏等因素会导致护岸结构变形并最终倒塌。为了更好地理解这个问题,研究人员模拟了位于中国长江内的护岸结构,从而能够预测结构的位移和变形。

保护长江沿岸堤防

长江全长 6300 公里,是世界第三长河,也是亚洲最长的河流。纵观历史,人类依赖这条河灌溉,运输,除此之外,还有许多其他用途。今天,长江是世界上最繁忙的水道之一,许多大城市都位于长江边。

中国长江的照片。
长江。图片由 Perfect Zero 提供,在 CC BY 2.0 许可下使用,通过 Flickr Creative Commons 分享。

为了保护这些城市及居民免受洪水等问题的影响,我们可以修建堤坝,并使用护岸结构来维护他们的安全。护岸结构通常使用钢板桩来支撑堤坝。这些结构在水道工程、码头建设和围堰挖掘中都有应用。

钢板桩被部分破坏的照片。
(部分破坏的)钢板桩。图片由 Evelyn Simak 提供,在 CC BY-SA 2.0 许可下使用,通过 Wikimedia Commons 共享。

当这些结构因河流水位波动等发生变形并最终倒塌时,就会出现问题。为了避免这种情况并保持护岸结构的安全性,工程技术人员可以使用多物理场建模来预测变形及其原因。

鉴于此,河海大学地球科学与工程学院的一个研究小组使用 COMSOL Multiphysics® 软件分析了长江南京段护岸结构的变形情况。

在 COMSOL Multiphysics® 中模拟护岸结构的变形

护岸结构的变形受河道开挖产生的土壤压力以及水位季节性波动引起的静水压力(或水压力)变化的影响。这些波动反过来会引起土壤渗流场和地下水位的变化,从而影响土壤的力学特性。

并排图像,左侧为护岸结构示意图,右侧为模型网格。
左:护岸结构及周边环境。右:结果模型的网格。图片由 R. Hu 和 Y. Xing 提供,取自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的论文

为了在预测变形时考虑这些变量,研究人员在案例库深基坑开挖模型基础上结合达西定律,建立了二维水-土耦合模型。该模型分析了垂直于护岸结构的钢板桩的截面,如上面的左图所示。根据土壤的物理力学性质,钢板桩周围包含三层土壤。研究人员同时考虑了理想弹塑性模型和 Drucker-Prager 屈服准则。

comsol multiphysics® 中的护岸结构模型图。
护岸结构。图片由 R. Hu 和 Y. Xing 提供,取自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的海报

研究人员的模型采用了从超过 120 天的长江水位监测以及四个位移监测点收集的数据。仿真中河流的水位波动基于这些测量数据。

长江水位波动监测数据图。
绘制四个监测桩水平位移的图表。

左:长江水位波动监测数据。右:四个监测点的水平位移。图片由 R. Hu 和 Y. Xing 提供,取自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的论文。

总的来说,研究人员的仿真有三个步骤:

  1. 通过考虑水位波动或水位变化来计算堤坝的渗流场。
  2. 用强度折减法根据地下水位调整土壤抗剪强度参数。
  3. 用改进的深基坑开挖模型确定变形。

我们来看看这个仿真的结果。

变形护岸结构仿真结果评估

结果表明,初期开挖过程中变形情况稳定,后期受水位波动影响最大。例如,我们可以看到 -6 m 水位对护岸结构影响的绘图。

在这个水位下,桩一侧的水头差异引起地下水排放和地下水位的变化。如下所示,总压力在水位作用下发生变化,在静水压力和土壤压力作用下,开挖的中间部分存在相对较大的结构位移。观察到的最大位移为 60 mm。

地下水位上下的总压力场和渗流场图。
钢板桩位移图。

左:总压力场和渗流场,白线代表地下水位。右:钢板桩附近的位移。图片由 R. Hu 和 Y. Xing 提供,取自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的论文。

如下图所示,塑性变形主要位于水位深度以下的土壤第一层。

当河流水位为 -6 m 时护岸结构的塑性变形图。
河水水位为 -6 m 时堤坝的塑性变形。图片由 R. Hu 和 Y. Xing 提供,取自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的论文。

当使用监测数据寻找模型的水平变形时,研究人员发现结构的主要变形是位移,水平位移和水位波动的变化非常一致。由于桩顶部支柱的阻力,该位移相对较小。

最后,该团队研究了极端水位情况如何影响变形。为了实现这一目标,他们利用水位监测数据找出了过去 10 年来长江最高(-0.3 m)和最低(-8.4 m)的水位。

极高水位情况下塑性区域较小,其塑性变形限于土壤的第一层,而极低水位情况下塑性区域较大,延伸到第三层土壤。

极高水位情况下的塑性区分布图。
仿真结果显示极低水位情况下塑性区的分布。

极高水位情况下(左)和极低水位情况下(右)的塑性区分布。图片由 R. Hu 和 Y. Xing 提供,取自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的论文。

高水位情况下最大水平位移为 25.1 mm,低水位情况下最大水平位移为 65 mm。后一个值超过了项目的警告值 56 mm。此外,低水位情况下的最大剪切应力为 18.5 MPa,低于钢板桩的屈服极限 335 MPa。因此,当水位极低时,结构可能会过度变形,结构坍塌的风险也更高。在设计护岸结构时必须解决这个问题。

高水位和低水位情况下钢板桩的水平位移图。
高水位和低水位情况下的广义剪切应力图。

极高水位和极低水位情况下钢板桩的水平位移(左)和广义剪切应力(右)。图片由 R. Hu 和 Y. Xing 提供,取自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的论文。

利用仿真分析和设计护岸结构

通过多物理场模型,研究人员成功地证实,河流水位波动会影响护岸结构中钢板桩的横向位移,塑性区分布与地下水位深度有关。

未来,该团队希望通过将他们的仿真结果与长期现场观测结果比较来验证和改进他们的模型。他们希望通过这一点为设计护岸结构的人提供有用的建议。

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