水位消落對岸堤邊坡變形及加固分析

蘇本樂，趙允林

(潘集淮河河道管理局，安徽 淮南 232082)

0 引 言

水位波動是影響河道岸堤邊坡穩定性最常見的影響因素之一。通常，受極端天氣、潮汐、灌溉水道調節和水電站蓄水等影響，河水水位會出現大幅度變化，而導致邊坡垮塌和河岸受侵蝕。當漂浮物到達水電站時，會對建筑產生不利的荷載和增加溢洪道堵塞的風險。因此，研究河道岸堤邊坡穩定性對大壩的安全運行十分必要。

目前，國內外通常采用數值模擬的方法來分析邊坡的穩定性，其常用的數值理論包括有限元法[1]、有限差分法[2]、離散元法[3]等。葉雨柯等[4]基于昌波水電站工程，選取地下廠房區含垂向結構面邊坡的典型剖面，建立二維等效連續介質有限元模型，利用飽和-非飽和滲流分析理論研究不同降雨強度下含垂向結構面邊坡的飽和區擴散范圍及水壓力分布變化；涂小兵等[5]借助GeoStudio中SLOPE/W模塊和SEEP/W模塊進行邊坡滲流場和應力場的耦合分析, 模擬在施工期、運行期各種水位組合及降雨、地震工況下滲流作用對堤防穩定性的影響；郭釗等[6]運用ABAQUS軟件進行降雨條件下三維邊坡應力場和滲流場的耦合分析, 研究了邊坡土體滲流場變化規律并對邊坡穩定性進行評價；肖景紅等[7]針對含優勢滲流層邊坡降雨入滲下的可靠度問題, 通過將應力分析中的點估計-有限元法引入到邊坡滲流穩定性分析, 提出了考慮優勢滲流層滲透特性不確定性的滲流概率分析和邊坡可靠度分析方法；戚海棠等[8]基于滑坡地下水滲透力分布與應力-應變分析相結合的數值分析方法,考慮到砂土與黏土土質及各向異性程度kr及α的影響,利用Geostudio中SIGMA/W與SLOPE/W模塊對三峽庫區蔡坡堆積體庫水位下降的滲流、變形及穩定性進行了數值分析。

本文以某河道工程為例，通過ABAQUS建立二維河道邊坡模型，采用有限元強度折減法，分析不同河水水位下邊坡的滑動面變化和安全系數演化，提出相應的邊坡加固措施，以期為相關工程提供參考。

1 有限元強度折減法

強度折減法最早由Zienkiewicz教授提出，其含義是在外部條件不變的情況下，邊坡內部的最大抗剪強度與真實產生的剪切應力之間的比值。在現實工程中，當邊坡發生破壞時，上述兩個數值相等。這種抗剪強度折減系數與邊坡整體穩定安全系數Fs的含義相同，并與極限平衡法中的穩定性安全系數概念相似。強度折減法的參數表達式為：

(1)

φm=tan-1(tanφ/Fr)

(2)

式中：c和φ為材料所能夠提供的最大黏聚力和內摩擦角;cm和φm為材料實際發揮的黏聚力和內摩擦角；Fr為折減系數。

2 非飽和流固耦合理論

河水位升降是典型的非飽和流固耦合現象，根據非飽和土流固耦合理論，材料滲透系數與基質吸力可采用如下關系式：

Kw=awKws/[aw+(bw·x(ua-uw))cw]

(3)

式中：Kws為土體飽和時的滲透系數；ua和uw為氣壓和水壓力；其余參數為材料參數。

而飽和度與基質吸力關系為：

Sr=Si+(Sn-Si)as/[as+(bs·x(ua-uw))cs]

(4)

式中：Sr為飽和度；Si為殘余飽和度；Sn為最大飽和度；其余為材料參數。

3 模型建立與計算參數

本次建立河道邊坡模型位于某河道工程，為黏土質邊坡，灰黃色、灰白色及灰褐色，飽和，可塑，中等壓縮性。切面稍有光澤，捻面較光滑，搖震無反應，韌性及干強度中等。根據室內試驗測試，其黏土層主要組成部分為黏土礦物，包括有蒙脫石、伊利石等，碎屑礦物主要有石英與長石；其次含有少量方解石。通過對土樣進行物理力學性質測定，測得其含水率20%，塑限含水率25%，液限含水率50%，塑性與液性指數分別為26和0.28。圖1為本次數值分析模型。圖1中，粉質黏土層1厚4 m，粉質黏土層2厚1.7 m，粉質黏土層3厚4.8 m，細沙層厚1.5 m。整個邊坡長24.8 m。本文考慮極端天氣的降雨下，水位上漲至粉質黏土1與粉質黏土2的交界處，此時水深8 m；之后按照每級1 m往下消退，直至水位降至離坡底1 m，來分析邊坡穩定性。表1為本次的計算參數。

圖1 邊坡數值計算模型

表1 數值計算參數

4 水位消落深度對邊坡穩定性影響

圖2為不同水位深度下邊坡穩定性計算結果。由圖2可知，隨著水位的下降，邊坡的滑動面出現了不同程度的移動。當水位由8 m降低至7 m時，滑動面上端貫通面出現明顯左移，而下端剪出口在平臺區域出現向右移動的現象；總體上來看，可以認為初次水位消落會增大滑坡的體積，但同時也增大了安全系數。之后，當水位繼續降低，邊坡滑面的變化規律性不強，可能與邊坡內部孔隙水壓力的消散速度有一定關系。為了清晰地觀察水位變化對邊坡穩定性的影響，將不同水位下降深度對應的邊坡安全系數給出，見表2。由表2可知，隨著水位的下降，邊坡的安全系數逐漸增大，穩定性不斷提升。當水位深8 m時，安全系數為1.55；而當水位下降至1 m時，安全系數為2.19，增大41.87%。

圖2 不同水位深度下邊坡穩定性計算結果

表2 不同水位深度邊坡安全系數

河水水位越高，安全系數越低，這是由于水流滲進土體，使土體的密度增加，抗剪強度降低。其次水在滲流過程中會對土體顆粒施加一個動水壓力，是一個體積力，其大小與流動水的體積、水的容重和水力梯度有關，其方向與水流的方向一致。結構面的填充物在水的浮力作用下，重量降低，動水壓力稍大時，就會帶走結構面中的填充物顆粒，降低了邊坡的穩定性。由于水流對邊坡穩定性的影響非常大，所以邊坡工程對水流的防治是邊坡穩定的重要方面。圖3給出了邊坡安全系數隨水位深度的擬合公式。

圖3 邊坡安全系數與水位深度擬合公式

5 邊坡加固建議

本文為河道路基邊坡，根據其破壞特點，可以考慮以下幾種邊坡加固方案：①植物護坡：通過人工培植邊坡植被覆蓋表土以防止雨水沖刷，植被的根系也可加固邊坡的表層土體，調節土壤濕度以防止表土干裂及剝落的措施，包括植草、鋪草皮和種樹等，可以同時起到改善環境的作用。在開挖邊坡臺階設置截水天溝，以截斷開挖邊坡上部地表徑流，保護坡面和坡腳不受水流沖刷。②設置排水溝：天溝的斷面形式、斷面尺寸根據各坡面集雨面積估算，通過覆蓋層地段的截水天溝以漿砌片石材料為主。截水溝的平、縱轉角處設置曲線連接，其溝底縱坡為0.5%，出水口與排水溝銜接，并通過在坡面設置縱橫向的消能跌槽和防沖刷措施以形成有效的排水系統。

6 結 論

本文以某河道工程為例，通過ABAQUS建立了二維河道邊坡模型，采用有限元強度折減法，分析了不同河水水位下邊坡的滑動面變化和安全系數演化，結論如下：

1) 當水位由8 m降低至7 m時，滑動面上端貫通面出現了明顯左移，而下端剪出口在平臺區域出現向右移動的現象。

2) 河水水位越高，安全系數越低。當水位深8 m時，安全系數為1.55；而當水位下降至1 m時，安全系數為2.19，增大41.87%。