基于改进的p-y曲线的堤防溃口封堵中排桩侧向承载力快速评估方法

《Ocean Engineering》：Rapid assessment method for lateral bearing capacity of row piles in levee-breach closure based on an improved p-y curve

　　•研究提出了一种改进的p–y曲线方法，用于快速评估用于封堵决口的桩体的侧向承载力。•研究指出，桩体尺寸和土壤力学参数是影响侧向承载力的关键因素。•通过现场试验和三维有限元模拟验证了该方法的准确性。•对于密集排列的桩排系统，建议采用0.85的折减系数。

引言
洪水灾害易导致堤坝溢流、渗漏破坏以及局部决口（Besseling等，2026；Chen等，2026；Stanczak和Oumeraci，2012）。若不能及时控制堤坝决口，其在持续的高流速冲刷作用下可能会不断扩大加深，进而引发洪水泛滥，增加封堵难度，并造成巨大经济损失（Apel等，2009；Lu等，2025；Sun等，2017）。在应急工程中，通常会向决口处投入沙袋、抛石或笼式结构以快速封堵。然而，在高流速、较大水位差以及强非稳态水流条件下，这些投入的材料容易被冲散带走，难以在短时间内形成稳定的封堵体（Wang和Bowles，2006）。设置桩排来拦截并固定这些材料，是一种可行的方法，有助于提高材料保留率，并在形成稳定封堵体过程中提供临时支撑。

大量研究通过数值模拟、理论分析及机制研究，探讨了溃坝和堤坝决口过程中的水流演变规律（Deng等，2026；Luppino等，2026；Wu和Li，2017）。早期研究主要依靠圣维南方程和二维浅水方程来描述和预测溃坝洪波的传播情况（Dazzi和Ferrari，2026；Qi等，2024；Wu等，2016）。随着数值方法的发展，Godunov型方案、Roe方案、MUSCL重构算法以及TVD限制器等方法被广泛用于处理水跃和强不连续性，从而提高了溃坝流动模拟的稳定性和精度（Echeverribar等，2023；Hou等，2015；Saleem和Norman，2024；Sarkhosh和Jin，2022；Xu和Shu，2025）。这些研究为预测决口流的水深、流速、流量以及自由面变化等特征奠定了重要基础，同时也为评估作用在桩排结构上的水动力荷载提供了必要的水动力输入条件。

近年来，人们越来越关注复杂的自由面演变和三维水动力过程。Ba?i?采用了二阶精度的拉格朗日无网格方法来模拟溃坝流及流固相互作用（Ba?i?等，2022），而Munoz和Constantinescu则利用结合VOF方法的三维非静力RANS模型来再现溃坝流动过程（Munoz和Constantinescu，2020）。此外，SPH、MPS以及RANS–VOF等方法也被广泛用于模拟存在大幅自由面变形和复杂边界条件的强非稳态流动过程（Chen等，2025；Luo等，2021；Sun等，2015；Liu等，2026）。总体而言，现有研究能够有效再现决口流的演变过程及其水动力特性；但大多数研究主要集中在流动过程本身。针对桩排-投入材料封堵系统中钢管桩的水动力荷载特性、力学响应以及侧向承载力快速评估的系统性研究仍较为有限。

在分析桩基的侧向承载行为时，p–y曲线方法通过土阻力p与侧向位移y之间的非线性关系来表征桩土相互作用，已被广泛用于分析受侧向荷载作用的桩体的响应（He和Pan，2026；Lu和Zhang，2020；Wang和Ishihara，2022；Zeng等，2023；Zhang等，2023）。Matlock和Reese提出的经典p–y曲线为评估埋置在软黏土和砂土中的桩体的侧向响应提供了理论基础（Matlock，1970；Reese等，1974）。包括API和DNV指南在内的相关标准也认可p–y曲线方法是桩基侧向设计的重要手段（DNV，2013；API，2014）。由于极限土阻力是p–y曲线方法中的关键参数，因此基于实验研究、理论分析及数值模拟，人们提出了多种对该参数的修正与扩展方法（Lai等，2021；Souri等，2023；Zhang等，2020、2023a；Gan等，2026；Li等，2020；Zhu等，2022；Potini和Conti，2024；Jala等，2025）。Mu研究了c–φ型土体的内聚力与内摩擦角对极限土阻力的综合影响（Mu等，2026）。Zeng提出了基于人工神经网络的自循环加载条件下的p–y曲线模型（Zeng等，2026），而Lao则利用离心试验数据修正了砂土中钢管桩的p–y曲线参数（Lao等，2026）。不过，现有的改进方法主要是针对传统桩基、海洋工程桩或风力发电机基础开发的，其参数确定仍高度依赖于全面的岩土试验、模型试验或现场测量。

相比之下，应急堤坝决口封堵作业的特点是施工时间紧张、现场勘察条件有限，且桩体间距相对较密，这导致难以及时获取诸如未扰动土体的不排水抗剪强度以及三轴试验特征应变等关键参数。同时，处于侧向荷载作用下的密集桩排可能会出现显著的群桩效应，从而导致整个桩排系统的侧向承载力下降（Forcellini等，2026；Isbuga，2020；Xu等，2026）。尽管如此，现有研究主要聚焦于静态或稳态条件下的群桩基础，而针对应急堤坝决口封堵所伴随的强瞬变水力条件下的桩排力学行为的研究仍然较少（Das等，2025；Peng等，2026；Pham等，2026）。决口引发的快速水流、局部冲刷以及投入材料的荷载等多种因素，还会进一步改变桩间流场和土体约束条件，使得桩排的侧向承载行为表现出更强的非线性和时间依赖性（Du等，2025；Wang等，2026）。

为解决上述问题，本研究提出了一种基于改进p–y曲线框架的应急堤坝决口封堵中桩排侧向承载力快速评估方法。首先，通过考虑决口处的水流冲击过程以及桩体与投入材料之间的耦合传力机制，来确定用于验证桩排承载力所需的水动力荷载输入。其次，为克服应急情况下快速获取土体参数的困难，利用现场易于获得的岩土参数对p–y曲线的关键参数进行修正，然后通过迭代有限差分法计算钢管桩的侧向位移、弯矩以及极限承载状态。随后，通过现场桩基试验结果和三维弹塑性桩土有限元模型来验证该方法的准确性。此外，还分析了钢管桩尺寸、土体参数及埋深对桩排侧向承载力的影响，并利用密集桩排的有限元模型研究了群桩效应及承载力折减系数。期望这些研究结果能为应急堤坝决口封堵场景下桩排封堵结构的承载力快速验证、结构参数选择及安全性评估提供方法学支持与工程指导。

部分内容摘录
水动力荷载输入方法
为使用改进的p–y曲线方法进行后续的承载力计算，需提供合理的水动力荷载输入。为此，首先利用二维浅水方程计算决口处的水深、流速和加速度，然后再采用Morison方程来计算作用在桩排上的水流冲击力。对于通过决口的非稳态流动，则利用二维浅水方程来描述水动力情况。

封堵系统的假设
图1展示了堤坝决口的封堵过程以及填料-桩体-水流系统的力学相互作用模型。如图1(a)所示，在封堵推进过程中，会逐步安装钢管桩，同时防洪沙袋和回填材料会在桩排的上游侧堆积，在水流作用下将这些荷载传递给钢管桩。基于这一封堵过程，如图1(b)所示，沙袋……

现场桩基试验验证
为验证所提出的改进p–y曲线方法的可靠性，选取了两组已有的现场侧向荷载试验数据作为对比分析（Zhao等，2013；Wang和Lu，1986）。同济大学的试验桩埋深为22.5米，利用在20-60千牛侧向荷载作用下的实测泥面位移数据进行验证。镇江大港的试验桩埋深为45米，利用在侧向荷载作用下的实测桩顶位移数据……

钢管桩尺寸的影响
为研究钢管桩尺寸对侧向承载力的影响，考察了不同的壁厚和桩径。详细的工况参数列于表4中，不同尺寸钢管桩的荷载-位移曲线如图13所示。结果表明，增加壁厚或桩径都能提升钢管桩的侧向承载力，同时降低桩体的侧向……

适用性与局限性
所提出的快速评估方法旨在用于评估应急堤坝决口封堵过程中钢管桩排的侧向承载力。该方法主要关注与工程相关的响应量，包括桩体侧向位移、弯矩、剪力以及水力荷载作用下的承载力利用率。所需的输入参数主要包括钢管桩的几何参数、桩间距、埋深、水力荷载条件以及……

结论
总之，本研究建立了一种考虑水流冲击荷载和桩土相互作用的改进p–y曲线方法，用于快速评估应急堤坝决口封堵中桩排的侧向承载力。主要结论如下：
(1)建立了适用于堤坝决口封堵条件下桩排的水流冲击荷载输入方法。通过考虑桩体与填料之间的相互作用以及填料投入后的水流重分布……

作者贡献声明
Shu-Han Chen：概念构思、初稿撰写、审稿与编辑。Xing-Huai Huang：资金获取、资源协调、审稿与编辑。Yu Fang：方法设计、初稿撰写。Zhao-Dong Xu：资源协调、项目监督。Sheng-Yu Chang：数据收集、软件应用。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFC3015902）以及深圳市可持续发展科技专项（项目编号KCXFZ20211020165543004）的支持。

Shu-Han Chen | Xing-Huai Huang | Yu Fang | Zhao-Dong Xu | Sheng-Yu Chang