城市防洪堤的結(jié)構(gòu)形式主要有兩類：一是土石堤防，二是混凝土、鋼筋混凝土堤防。前者邊坡較緩，占用面積空間大，其防滲防沖的可靠性以及抗御超額洪水與漫頂?shù)哪芰ζ酢；炷恋谭辣M管本身堅(jiān)固耐沖，但對(duì)軟基的適應(yīng)能力差，且造價(jià)高。筆者在研究國內(nèi)外類似的堤壩和路基工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出一種新型防洪堤的結(jié)構(gòu)型式——預(yù)應(yīng)力加筋土石防洪堤。
一、加筋土堤壩應(yīng)用實(shí)例
加筋土應(yīng)用于擋水工程的典型實(shí)例是法國的康柯耶拉克（Conqueyrac）壩，其高21.2m長190m，屬混凝土面板堆石壩型。該壩的特點(diǎn)是，在壩身的堆石體中加鋼筋，構(gòu)成加筋堆石，以求大幅度壓縮壩體斷面，壩底寬為21m.該壩于1982年建成，其造價(jià)比次優(yōu)方案（重力壩）低20%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。壩體上游為防滲的混凝土面板，底部嵌固在基巖上，上下壩坡分別為1∶0.25、1∶0.3.堆石的加筋采用40、32、25（由下而上）三種規(guī)格的鋼筋，其上下游端錨系于混凝土面板和混凝土擋板（擋板高2.2m、每節(jié)長2.9m）。各層鋼筋均布設(shè)在堆石填筑碾壓層面上，垂直每隔2.0m布設(shè)一層，水平間距為1.45m.
二、加筋土堤壩工作性態(tài)的數(shù)值模似
我們對(duì)康柯耶拉克壩進(jìn)行了非線性有限元分析。將混凝土和鋼筋視作線彈性材料，壩身土石體和混凝土離散為二維等參元，鋼筋處理為受拉桿單元。計(jì)算工況分兩種：施工期，蓄水期，堆石料逐層填筑，分１０次直至壩頂竣工，計(jì)算中按增量方式逐層模擬。
竣工期、蓄水期水平位移和垂直等值線示于圖2.可見，加筋堆石壩的變形小，特別是水平變形小，分布勻稱。垂直變形值出現(xiàn)在壩半高處，竣工期和蓄水期各為4.3cm、4.8cm、僅為壩高的0.20%、0.23%.水平位移值竣工期僅為0.9cm，蓄水期為4.0cm.
蓄水期大小主應(yīng)力等值線。由圖可見，其變化均勻，分布狀態(tài)良好。竣工期與蓄水期的應(yīng)力水平的分布見圖4.應(yīng)力水平的值為0.48，出現(xiàn)在竣工期；蓄水后降為0.46，大值區(qū)的范圍也略縮小，即面板水壓荷載使土石體的受力狀態(tài)有所改善。這符合面板堆石壩的一般經(jīng)驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果。
竣工期、蓄水期鋼筋受力值各為12.5t、16.2t，后者為鋼筋許可荷載的46%，出現(xiàn)在4m高處，這與水平位移出現(xiàn)的部位相一致。鋼筋的受力隨填筑層向上而遞減。蓄水使鋼筋受力增加約23%.可見，剛性加筋使土石壩的受力狀態(tài)得到根本改善，即使壩體邊坡為1∶0.25～0.3，仍保持很低的應(yīng)力水平（≤0.5），表明其安全度很高；鋼筋的受力控制在蓄水期，而受力值尚不足鋼筋允許荷載的一半。
三、預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩
1.預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩的分析論證 康柯耶拉克壩中鋼筋未施加預(yù)應(yīng)力，它是靠堆石料的側(cè)向變形使之承受拉力，并反過來對(duì)堆石料施加側(cè)向約束，增強(qiáng)其抗剪能力的，即加筋的作用是被動(dòng)式的，未加控制的，所以加筋的利用是不完全的，也是不經(jīng)濟(jì)的。
現(xiàn)研究同一斷面的預(yù)應(yīng)力加筋土石壩。結(jié)果，筋材用量減少30%.鋼筋的受力為22.2t，約達(dá)允許荷載的85%.單寬加筋量?jī)H0.72t.由于預(yù)應(yīng)力的作用壩體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)仍良好，竣工期、蓄水期的位移和大小主應(yīng)力分布勻稱，分布形態(tài)良好。特別是蓄水期應(yīng)力水平值僅為0.52，抗剪穩(wěn)定的安全潛力較大。
2.預(yù)應(yīng)力加筋土石防洪堤壩的技術(shù)方案
預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩的土石料可采用：
① 砂礫料：料源較方便，運(yùn)距較短。砂礫料用于面板壩工程已有豐富經(jīng)驗(yàn)。
② 堆石料：除硬巖石料以外，也可選用軟巖石料（壓強(qiáng)＜30MPa），以利擴(kuò)大料源。
③ 一般土石料：力求選用內(nèi)摩擦角和滲透性大的土石料 .
其地基防滲型式應(yīng)因地制宜。
綜上可知，預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩的斷面比面板堆石壩約小一半，比通常的土石堤壩約小3/4，雖然其斷面比混凝土重力壩略大，但它對(duì)軟基的適應(yīng)能力較強(qiáng)，這對(duì)于城市多為土質(zhì)地基的實(shí)際情況非常重要。
預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩除工程造價(jià)明顯降低以外，它還有以下優(yōu)越性：
① 施工快捷，工期縮短；
② 少占地（或者增加造地）；
③ 堤頂可用作交通道路（堤防的變形模量大）。坡面可進(jìn)行綠化（填筑體為土石散粒料，便于根系生長），有利于改善城市景觀；
④ 新型堤壩有利于沿堤兩岸的國土面積的升值。
四、結(jié)論
1.數(shù)值模擬表明，加筋堆石壩的安全度高，但加筋受力較小，潛力很大。預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩的邊坡陡，斷面小，底寬與堤高基本相等，加筋用量明顯減少，而安全度仍很高（應(yīng)力水平≤0.52），其技術(shù)可行性得到初步論證。
2.新型堤壩與普通土石堤壩相比，少占地、少搬遷，工程量小2倍，工期短，抵御洪水漫頂能力強(qiáng)，景觀良好；與混凝土堤相比，對(duì)土質(zhì)地基的適應(yīng)能力強(qiáng)，就地取材，造價(jià)低，易于綠化?？傊滦偷虊蔚木C合優(yōu)勢(shì)明顯。
3.非線性有限元方法可模擬加筋、預(yù)應(yīng)力、非線性等多因素和施工、運(yùn)行全過程，計(jì)算結(jié)果合理可信，可用于新型堤壩的設(shè)計(jì)計(jì)算。
4.經(jīng)中小型堤防工程的試用、改進(jìn)，新型的預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
一、加筋土堤壩應(yīng)用實(shí)例
加筋土應(yīng)用于擋水工程的典型實(shí)例是法國的康柯耶拉克（Conqueyrac）壩，其高21.2m長190m，屬混凝土面板堆石壩型。該壩的特點(diǎn)是，在壩身的堆石體中加鋼筋，構(gòu)成加筋堆石，以求大幅度壓縮壩體斷面，壩底寬為21m.該壩于1982年建成，其造價(jià)比次優(yōu)方案（重力壩）低20%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。壩體上游為防滲的混凝土面板，底部嵌固在基巖上，上下壩坡分別為1∶0.25、1∶0.3.堆石的加筋采用40、32、25（由下而上）三種規(guī)格的鋼筋，其上下游端錨系于混凝土面板和混凝土擋板（擋板高2.2m、每節(jié)長2.9m）。各層鋼筋均布設(shè)在堆石填筑碾壓層面上，垂直每隔2.0m布設(shè)一層，水平間距為1.45m.
二、加筋土堤壩工作性態(tài)的數(shù)值模似
我們對(duì)康柯耶拉克壩進(jìn)行了非線性有限元分析。將混凝土和鋼筋視作線彈性材料，壩身土石體和混凝土離散為二維等參元，鋼筋處理為受拉桿單元。計(jì)算工況分兩種：施工期，蓄水期，堆石料逐層填筑，分１０次直至壩頂竣工，計(jì)算中按增量方式逐層模擬。
竣工期、蓄水期水平位移和垂直等值線示于圖2.可見，加筋堆石壩的變形小，特別是水平變形小，分布勻稱。垂直變形值出現(xiàn)在壩半高處，竣工期和蓄水期各為4.3cm、4.8cm、僅為壩高的0.20%、0.23%.水平位移值竣工期僅為0.9cm，蓄水期為4.0cm.
蓄水期大小主應(yīng)力等值線。由圖可見，其變化均勻，分布狀態(tài)良好。竣工期與蓄水期的應(yīng)力水平的分布見圖4.應(yīng)力水平的值為0.48，出現(xiàn)在竣工期；蓄水后降為0.46，大值區(qū)的范圍也略縮小，即面板水壓荷載使土石體的受力狀態(tài)有所改善。這符合面板堆石壩的一般經(jīng)驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果。
竣工期、蓄水期鋼筋受力值各為12.5t、16.2t，后者為鋼筋許可荷載的46%，出現(xiàn)在4m高處，這與水平位移出現(xiàn)的部位相一致。鋼筋的受力隨填筑層向上而遞減。蓄水使鋼筋受力增加約23%.可見，剛性加筋使土石壩的受力狀態(tài)得到根本改善，即使壩體邊坡為1∶0.25～0.3，仍保持很低的應(yīng)力水平（≤0.5），表明其安全度很高；鋼筋的受力控制在蓄水期，而受力值尚不足鋼筋允許荷載的一半。
三、預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩
1.預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩的分析論證 康柯耶拉克壩中鋼筋未施加預(yù)應(yīng)力，它是靠堆石料的側(cè)向變形使之承受拉力，并反過來對(duì)堆石料施加側(cè)向約束，增強(qiáng)其抗剪能力的，即加筋的作用是被動(dòng)式的，未加控制的，所以加筋的利用是不完全的，也是不經(jīng)濟(jì)的。
現(xiàn)研究同一斷面的預(yù)應(yīng)力加筋土石壩。結(jié)果，筋材用量減少30%.鋼筋的受力為22.2t，約達(dá)允許荷載的85%.單寬加筋量?jī)H0.72t.由于預(yù)應(yīng)力的作用壩體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)仍良好，竣工期、蓄水期的位移和大小主應(yīng)力分布勻稱，分布形態(tài)良好。特別是蓄水期應(yīng)力水平值僅為0.52，抗剪穩(wěn)定的安全潛力較大。
2.預(yù)應(yīng)力加筋土石防洪堤壩的技術(shù)方案
預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩的土石料可采用：
① 砂礫料：料源較方便，運(yùn)距較短。砂礫料用于面板壩工程已有豐富經(jīng)驗(yàn)。
② 堆石料：除硬巖石料以外，也可選用軟巖石料（壓強(qiáng)＜30MPa），以利擴(kuò)大料源。
③ 一般土石料：力求選用內(nèi)摩擦角和滲透性大的土石料 .
其地基防滲型式應(yīng)因地制宜。
綜上可知，預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩的斷面比面板堆石壩約小一半，比通常的土石堤壩約小3/4，雖然其斷面比混凝土重力壩略大，但它對(duì)軟基的適應(yīng)能力較強(qiáng)，這對(duì)于城市多為土質(zhì)地基的實(shí)際情況非常重要。
預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩除工程造價(jià)明顯降低以外，它還有以下優(yōu)越性：
① 施工快捷，工期縮短；
② 少占地（或者增加造地）；
③ 堤頂可用作交通道路（堤防的變形模量大）。坡面可進(jìn)行綠化（填筑體為土石散粒料，便于根系生長），有利于改善城市景觀；
④ 新型堤壩有利于沿堤兩岸的國土面積的升值。
四、結(jié)論
1.數(shù)值模擬表明，加筋堆石壩的安全度高，但加筋受力較小，潛力很大。預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩的邊坡陡，斷面小，底寬與堤高基本相等，加筋用量明顯減少，而安全度仍很高（應(yīng)力水平≤0.52），其技術(shù)可行性得到初步論證。
2.新型堤壩與普通土石堤壩相比，少占地、少搬遷，工程量小2倍，工期短，抵御洪水漫頂能力強(qiáng)，景觀良好；與混凝土堤相比，對(duì)土質(zhì)地基的適應(yīng)能力強(qiáng)，就地取材，造價(jià)低，易于綠化?？傊滦偷虊蔚木C合優(yōu)勢(shì)明顯。
3.非線性有限元方法可模擬加筋、預(yù)應(yīng)力、非線性等多因素和施工、運(yùn)行全過程，計(jì)算結(jié)果合理可信，可用于新型堤壩的設(shè)計(jì)計(jì)算。
4.經(jīng)中小型堤防工程的試用、改進(jìn)，新型的預(yù)應(yīng)力加筋土石堤壩有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。