河流水位與地下水流量聯合效應對河岸穩定性分析

丁 培

(塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

河岸穩定性是河床變形研究中非常重要的內容。河岸失穩破壞是指河岸土體的穩定性下降,導致部分土體在重力作用下發生滑動,從而發生破壞。河岸失穩破壞不僅會對岸邊周圍耕地造成嚴重損失,而且會對岸邊的生態環境造成較大的負面影響,因此對河岸穩定性進行研究是非常必要的。

河岸穩定性系數FS是衡量河岸穩定性的可靠指標,當FS小于1時,河岸處于失穩狀態。目前,國內主要采用極限平衡理論進行河岸穩定性的計算[1]。但是,在計算模型中并未考慮孔隙水和靜水壓力的影響,因此計算結果存在一定缺陷。有些學者在上述模型的基礎上進行改進,但因為計算過程較為復雜,所以在實際工程應用中仍存在一定差距[2]。還有些學者通過建模,研究水位變化對于河岸穩定性的影響[3]。上述研究均采用的是傳統飽和土力學理論,忽略了基質吸力對河岸穩定性的影響。而事實上,在地下水位較低的情況下,潛在的破壞面可能會穿過土體非飽和部分,因此基質吸力在計算FS中起到了較為重要的作用。

為了克服上述研究中存在的不足,本文將穩定性分析與地下水流計算相結合,進一步細化地下水位波動的影響,以及河流水位與地下水位的相互作用。本文首先闡述地下水流模擬和河岸穩定性相關理論,然后將兩種具有代表性的預測方法與本文提出的方法進行預測能力對比;并通過兩個獨立的假設示例,分析模型中不同參數對河岸穩定性的影響,為判斷河岸穩定性提供理論參考。

1 理論基礎

1.1 地下水流建模

非穩定地下水流問題可由局部直角笛卡爾坐標系下的一維Boussinesq方程[4]來描述,控制方程如下:

(1)

h(0,t)=H1(t)

h(l,t)=H2(t)

h(x,0)=H0(x)

(2)

式中:S為產水率;h為地下水位高度;K為水力傳導率;I為滲透補給速率;x、t為空間和時間坐標;l為流域的長度;H1(t)、H2(t)為邊界處水位的時間波動高度;H0(x)為跨流域水位的初始高度。

上述方法僅適用于分析邊界條件非常簡單的問題。因此,本文采用完全隱式有限差分法,控制方程的表達式為:

v=h2

(3)

(4)

根據式(3)、式(4),即可得到地下水位高度h,從而繪制出河岸內地下水位剖面圖。

然而,僅通過地下水位圖仍然無法確定河岸任一位置的孔隙水壓力。因此,有學者提出下述假設:孔隙水壓力隨地下水位上方或下方的距離變化而變化。即在地下水位以上,孔隙水壓力為負,呈線性下降;反之,呈線性上升。本文根據上述假設,估計孔隙水壓力的分布。

1.2 河岸穩定性公式

河岸穩定性可用安全系數FS來評價,其表達式為:

(5)

式中:c′為有效內聚力;L為破壞面長度;φb為確定基質吸力增加導致的抗剪強度增加速率的角度;β為破壞平面角;α為河岸的角度;φ′為土體的有效摩擦角。

當FS>1.0時,河岸處于穩定狀態;FS=1.0時,河岸處于臨界狀態;當FS<1.0時,河岸處于不穩定狀態。

在式(5)的計算中,需要先確定破壞平面的角度,才能確定破壞塊的重量和破壞面的長度。因此,本文采用式(6)來估算破壞平面角的大小,公式如下:

(6)

2 研究過程與結果分析

2.1 工況假設

假設示例1:河岸高度H= 3m的河流上升和下降階段,用于研究具有以下參數的FS變化:α=60°,γs=18kN/m3,c′=3kPa,φ′=33°,φb=16°,S=0.2和K=10-5m/s。應用地下水流模型即式(2)可以發現,水文曲線隨時間在0.6～2.4m階段呈線性變化,并持續4h。

2.2 參數的影響分析

2.2.1 水力傳導率的影響

圖1中,上下兩組曲線分別為上升和下降階段FS相對于Hw/H的變化情況。

圖1 不同K值下FS隨Hw/H的變化情況

從圖1可以看出,在上升階段,FS從1.72左右開始振動,在水流活動結束時達到最大值,對應的K值分別為10-5和10-6m/s。這是因為河流水位越高,圍壓越大,K值越小,對河岸的阻力越強。表明K值較小的河岸內的承壓水不能立即排水,靜水浮力和基質吸力可能基本保持不變,但靜水壓力的突然下降,導致了河岸最終發生破壞。

2.2.2 產水率的影響

產水率S是飽和后重力排水的體積與土壤體積的比值,是地下水模擬的另一個主要參數。重復上述方法,采用S的代表值0.05、0.1、0.2和0.3來檢驗上升和下降階段條件下FS隨Hw/H的變化,模擬結果見圖2。由圖2可知,在上升階段FS波動范圍較小,表明產水率對河岸穩定性影響較小。另外,S值越大的河岸在下降階段就越不穩定。初步分析,這可能是由于S越高,河岸內的水量就越多,因此需要更多的時間來釋放,導致地下水位升高。由此可以得出,在河岸穩定性分析中,河岸土質是影響河岸穩定性的一個重要因素。

圖2 不同S值下FS隨Hw/H的變化情況

2.2.3 滲透效果分析

模擬研究河段固定在0.6m時,不同入滲強度均勻分布在10、25、50和75 mm/h時的4種情況,其他參數與前面的分析相同。模擬不同滲透強度下,FS隨時間的變化,結果見圖3。由圖3可知,FS隨時間的增加呈現出近似線性下降的趨勢。在前24h內,入滲強度分別為75、50和25mm/h時,約在4.6、7.5和19h后發生河岸破壞。而在10mm/h的滲透強度下,FS值在1.72～1.53之間逐漸變化,在滲透結束時沒有觸發破壞。

圖3 不同滲透強度下FS隨時間的變化

2.2.4 河流水位變化率的影響

從前面的模擬結果可以確定,河段的波動對河岸穩定性有較大影響。評價水位升降階段的變化率Vw對河岸穩定性的影響成為河道整治工程的一項重要任務。圖4中,選擇Vw分別為0.05、0.1、0.5、1.0和2.0 m/h時,考察FS隨Hw/h比值的變化情況。以下降階段為例進行分析,由于河流階段的快速下降導致靜水壓力急劇下降,FS從1.54開始持續下降,特別是Vw為2.0 m/h時觸發失效。因此,從模擬中可以得出,地下水位與河流水位之間的關系對河岸的穩定性起著重要的作用。

圖4 不同Vw值下FS隨Hw/H的變化情況

3 結 論

本文提出的新方法將地下水流動和穩定性分析相結合,以獲得更真實的地下水位,從而確定正負孔隙水壓力對河岸穩定性的影響。同時,可以預測河岸破壞的時間以及分析河岸穩定狀態。結論如下:

1)基質吸力的作用對河岸穩定性影響較大,尤其在地下水位較低的情況下,應予以考慮。

2)低滲透或高產水率的河岸土質、嚴重的入滲和快速沉降階段有可能導致河岸不穩定。

3)即使在下落階段,河岸也可能發生破壞,這主要取決于土壤性質。因此,河岸的材料特性不僅決定了抗剪強度,而且直接影響地下水位分布,需要特別重視。