河流沖刷作用下高邊坡的穩定性研究

李會杰

摘 要：堤防在季節性或周期性發揮作用的過程中造成堤防沖刷現象十分普遍和嚴重。本文將堤防假定為各向同性的均質彈性體，基于流體力學理論構建了河流沖刷作用下的堤防滲流場模型，運用三維有限元研究了河流沖刷堤防邊坡的三維問題，并分析了滲流和沖刷共同作用下堤防邊坡的失穩過程。結果表明：堤防邊坡的坡腳首先出現塑性，隨著沖刷作用的持續進行，塑性繼續向邊坡上部發展，并最終發展到坡頂，塑性區域貫通后，引起邊坡的失穩，形成滑坡。

關鍵詞：理論分析;有限元技術;沖刷力;滲透力;自重應力耦合力系

中圖分類號：TU473文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）25-0081-03

Abstract： Dike erosion is very common and serious in the process of seasonal or periodic function. In this paper， the dike was assumed to be an isotropic homogeneous elastic body. Based on the theory of fluid mechanics， the seepage field model of embankment under river erosion was constructed. The three-dimensional finite element method was used to study the three-dimensional problem of embankment slope scoured by river， and the instability process of embankment slope under the joint action of seepage and scouring was analyzed. The results show that： the slope toe of embankment slope first appears plasticity， with the continuous erosion， the plasticity continues to develop to the upper part of the slope， and finally develops to the top of the slope. After the plastic area passes through， it causes the slope instability and forms landslide.

Keywords： theoretical analysis;finite element technology;scouring force;permeability;gravity and stress coupling force system

人工提防是約束河勢、防御洪水的重要屏障，其穩定性取決于兩個方面的因素：一是堤防材料特性、堤防結構、堤防的剖面形狀、平面形狀和走向;二是與河流沖刷、河勢變化等外在條件有關[1-3]。其中，近岸水流對堤腳和堤岸的沖刷現象在我國25萬km的各類堤防上十分普遍，由沖刷導致的堤防穩定方面的問題也時有發生，特別是一些填土質量不高的堤防。另外，水流沖刷作用造成的河床下切及深槽迫堤情況也對堤防的穩定構成極大的威脅。鑒于工程失穩的嚴重后果，河流沖刷作用下的堤防穩定性問題一直受到政府和相關技術部門的高度重視。

本文基于彈性力學理論構建了河流沖刷作用下的堤防應力場模型，考慮流體-土體的應力、位移特點，構建了河流沖刷作用下的堤防滲流場與應力場耦合模型，并進行了三維數值分析。

1 河流沖刷作用下堤防應力和滲流模型

根據虛功原理，均質堤防土體中體系外力的虛功與內力的虛功等于零，即變形體內的應力在虛應變上所做的功與體積力和面積力在虛位移上所做之功相等，即

3 結論

將堤防假定為各向同性的均質彈性體，基于流體力學理論構建了河流沖刷作用下的堤防滲流場模型，運用三維有限元研究了河流沖刷堤防邊坡的三維問題，主要結論如下。

①運用ABAQUS非線性動力有限元軟件計算了堤防邊坡（未防護、砌石護面）的穩定系數，砌石護面的邊坡穩定系數超過1.4，能有效地提高邊坡的安全性。

②分析了滲流和沖刷共同作用下堤防邊坡的失穩過程，堤防邊坡的坡腳首先出現塑性，隨著沖刷作用的持續進行，塑性繼續向邊坡上部發展，并最終發展到坡頂，塑性區域貫通后，引起邊坡的失穩，形成滑坡。因此，堤防邊坡的坡腳加固和坡面防護是保證邊坡安全的重要措施。

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