水流沖蝕作用下的河岸邊坡穩定性分析

摘要：隨著我國水利工程建設的飛速發展，形成了大量新河岸，新河岸土體極易被水流沖蝕流失，誘發地質災害，對人民的生命財產安全造成嚴重威脅。本文通過ABAQUS分析水流沖蝕作用下粘性土河岸邊坡穩定性隨時間的變化規律，發現河岸邊坡的穩定系數隨著水流沖蝕時間而下降;隨著沖蝕時間的推移，河岸邊坡穩定系數下降明顯加快。本文通過水流沖蝕作用下河岸邊坡穩定性研究將對河岸邊坡的防護與監測起到現實的指導意義。

Abstract： With the rapid development of the construction of water conservancy projects in China， a large number of new river banks have been formed. The new river bank soil is easily eroded by water flow， causing geological disasters and posing a serious threat to the safety of people's lives and property.? In this paper， the ABAQUS is used to analyze the change law of the stability of the river bank slope under the action of water erosion， and it is found that the stability coefficient of the river bank slope decreases with the current erosion time; as the erosion time passes， the decline in the stability coefficient of the river bank slope has accelerated significantly. In this paper， the study on the stability of river bank slopes under the action of water flow erosion will have a practical guiding significance for the protection and monitoring of river bank slopes.

關鍵詞：粘性土;河岸邊坡;水流沖蝕;穩定性

Key words： clay;river bank slope;erosion;stability

中圖分類號：TV223? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）21-0238-03

1? 研究背景

隨著我國大型水利工程的建設，河岸侵蝕成為近幾年的研究重點，盡管在這之前有不少學者[1-5]進行過探索，但河岸侵蝕的研究仍任重道遠。洪水季節，高流速水流對河岸邊坡沖蝕破壞嚴重，并帶走大量土體，致使河岸邊坡形態隨時間發生變化，導致河岸邊坡穩定性發生變化，準確分析洪水沖蝕作用下河岸邊坡穩定性隨時間的變化規律能預防洪水災害的發生，保證人們的生命財產安全。

2? 水流沖蝕作用下河岸邊坡失穩機理

當水流流速大于土體的起動流速時，水流的切應力大于土體的起動切應力，土體表面迅速沖蝕破壞[6]，土粒微團離開土體骨架被水流帶走，則河岸邊坡在水流沖蝕作用下隨時間變得陡峭，臨空面增加，使局部區域土體穩定性極具下降，局部區域土體垮塌，從而改變整個邊坡的受力狀態，致使河岸邊坡穩定性降低。

3? 水流沖蝕作用下的河岸邊坡穩定性分析

本文將通過ABAQUS分析水流沖蝕作用下粘性土河岸邊坡穩定性隨時間的變化規律，對河岸邊坡進行簡化，如圖1所示，由于河岸邊坡大多為粘性土，因此本文假設河岸邊坡為均質粘性土體，在水流的作用下河岸邊坡沖蝕破壞，隨著時間的流逝河岸邊坡迎水面土體逐步流失，不同的時刻對應不同的河岸形態，因而河岸邊坡的穩定性也隨之發生變化。

3.1 河岸邊坡數值模型建立

本文目的在于揭示水流沖蝕作用對河岸邊坡穩定性的影響，通過計算確定河岸邊坡土體隨著水流沖蝕粘土顆粒流失量對邊坡空間形態的改變量，接著通過ABAQUS中邊坡穩定性分析模塊確定某一時刻的穩定系數。根據河岸邊坡空間形態與組成假設邊坡形式如圖1所示，河岸邊坡粘性土的物理參數如表1所示，對粘性土邊坡建立數值模型如圖2～圖5，粘性土邊坡為長10m，高10m，坡角45°的均質粘性土坡。本文假設水流沖蝕時間分別0d、1d、2d、3d，通過計算得到對應的邊坡形式，河岸邊坡沖蝕工況如表2所示，控制邊坡土體的起動流速不變，控制水流流速不變，分析河岸邊坡穩定性隨時間的變化規律。

圖2為粘性土河岸邊坡沖蝕前的有限元模型，共劃分結點8073個，單元7725個;圖3為粘性土邊坡沖蝕1天后的有限元模型，共劃分結點7908個，單元7601個;圖4為粘性土邊坡沖蝕2天后的有限元模型，共劃分結點7730個，單元7466個;圖5為粘性土邊坡沖蝕3天后的有限元模型，共劃分結點7551個，單元7332個。

3.2 河岸邊坡穩定性數值分析

邊坡穩定性分析一直是巖土工程中的重要研究領域。目前對邊坡穩定性分析的主要方法分為三大類，即強度折減法、極限平衡法以及有限元分析方法。本文將采用強度折減法分析不同沖蝕條件下河岸邊坡穩定系數變化情況，如圖2～圖5所示，對河岸邊坡進行建模分析;強度折減法是在外荷載保持不變的情況下，邊坡內土體所能提供的最大抗剪強度與外荷載在邊坡內所產生的實際剪應力之比。目前判斷邊坡土體達到臨界破壞的評價標準主要有三種：第一種以數值計算收斂與否作為評價標準，與有限元的算法有關;第二種以特征部位的位移拐點作為評價標準;第三種以是否形成連續的貫通區作為評價標準。

本文采用強度折減法，以特征部位的位移拐點作為評價標準，如圖2～圖5所示，通過A點的水平位移拐點作為評價標準，如圖6所示，根據不同沖蝕條件對穩定系數的影響分析發現，在河岸邊坡粘性土起動流速和水流流速不變的情況下，分別沖蝕河岸邊坡0d、1d、2d、3d后，河岸邊坡穩定系數分別為1.18、1.15、1.08、0.97。說明了在相同水流流速情況下，河岸邊坡受到水流沖蝕后穩定性下降，隨著沖蝕時間的推移，河岸土體沖蝕流失形成的迎水面越來越陡，導致穩定系數下降明顯加快。粘性土河岸在洪水季節沖蝕嚴重，導致河岸邊坡坡腳土顆粒大量流失，致使河岸邊坡出現陡峭的臨空面，導致河岸邊坡內部應力場改變，從而穩定性明顯下降，因此，在洪水季節加強河岸邊坡的防護尤為重要。

4? 主要結論

①本文對河岸邊坡進行簡化，通過ABAQUS建模分析，假設河岸邊坡為均質粘性土體，在水流的沖蝕破壞作用下，河岸邊坡迎水面土體隨著沖蝕時間逐步流失，不同的時刻對應不同的河岸形態，河岸邊坡的穩定性隨著水流沖蝕而下降;隨著沖蝕時間的推移，河岸土體沖蝕流失形成的迎水面越來越陡，導致穩定系數下降明顯加快。

②本文通過水流沖蝕作用下河岸邊坡穩定性研究能較好預測水流沖蝕作用下河岸邊坡穩定性，將對洪水引起的地質災害防護與監測起到現實的指導意義。

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