水位變化條件下堤防加固效果有限元分析

池佃東

(韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司,廣東 韶關 512000)

0 前 言

在季節性降雨影響下,土石類邊坡出現失穩現象十分普遍。諸多學者對邊坡出現失穩定現象的原因及失穩發展過程進行了深入研究。段祥寶[1-2]等學者通過砂槽模型試驗,模擬不同滲透系數和土體強度的材料在水位下降過程中的非穩定滲流場變化過程,認為水位下降過快是誘發邊坡失穩的重要原因。詹美禮[3]通過建立堤壩飽和-非飽和滲流測試系統,分析土體基質吸力的變化,研究邊坡失穩機理的發展過程。王建林[4]采用數值模擬方法,模擬河道處受水流側蝕影響下的堤防穩定安全,認為應該增強河道堤防的抗沖刷能力,避免堤防在高速水流側蝕失去支撐從而滑向河岸[5]。鄭昊[6]通過模擬庫水位上升對土石心墻壩的影響,認為水位變化速率是影響土質壩的重要影響因素。祝靜[7]和結合洪水期實測水位資料,探索了不同水位變化速率下岸坡穩定的變化規律。岳紅艷[8]采用物理模型試驗的方式,分析了水位變化和水流沖刷作用岸坡穩定的影響。張挺[9]等對山區河流土堤的滲流特性進行分析探討,王偉[10]等通過分析庫區內土體的水動力滑坡作用機制,確定庫水位頻繁變動是導致滑坡的重要危險因子。

山區丘陵區域河道,水位變化受季節性強降雨影響顯著。在強降雨過程中,初期雨水入滲,河道兩側堤防表面土體強度減小,對邊坡穩定安全有不利影響。隨著持續強降雨,山區丘陵河道坡降較大,各個支流水流逐漸匯集流向地勢較低的區域,導致不同區域河道水位快速變化,影響河道兩側堤防的邊坡穩定安全性[12]。不同堤段堤防間存在差異,邊坡穩定安全受堤防結構形式、堤身填筑質量及土體材料性質、水流侵蝕深度和除險加固措施等因素影響,因此,分析河道水位變化過程中堤防邊坡穩定安全變化規律具有重要工程意義[13]。

本文通過分析水位變化下堤防除險加固前后堤防滲流場變化規律,定量分析不同堤段堤防修固前后的安全情況,驗證所采用加固措施的有效性[11]。

1 工程概況

黨水河河道治理工程位于陜西省漢中市洋縣境內北部,黨水河屬漢江一級支流,由北向南流經黨河水庫下游進入盆地,在洋縣城西匯入漢江。發育有三級基座階地,階地堆積物具二元結構,上部為壤土、黃土狀壤土,下部為卵石層。工程區內降雨量豐富,地表水系眾多,河道平均比降24.2‰,河道區域物理地質作用微弱,表現為小規模的崩塌、滑坡等。黨水河河道兩側堤防防洪標準為10年一遇,工程級別為5級。

本次黨水河河道治理工程大致可分為馬坪村段、李家店村段和鐵河街村段。馬坪村段未進行河道整治前,河道兩側為天然岸坎防護,受季節性洪水威脅嚴重。進行河道堤防整治后,采用格賓石籠和漿砌石護坡對堤防迎水面進行加固處理,提高了堤防安全穩定性。未進行河道整治前,李家店村段采用半天然岸坎防護結合漿砌石擋墻防洪,局部區域堤防滲透性較差,洪水期堤后存在微小滲水點;進行河道整治后,均采用漿砌石擋墻進行防護,堤身土體松散進行夯實加固,提高堤防滲流及穩定安全性。鐵河街村段未進行河道整治前,局部漿砌石護岸受水流側蝕嚴重,出現了堤腳損毀、局部裂縫和垮塌現象,堤腳處存在不同深度的沖刷坑,存在較大邊坡穩定安全風險。進行修正后采用仰斜式防洪擋墻和混凝土護腳進行加固,保護堤后住戶及耕地安全。

2 計算模型及方法

2.1 計算簡化模型

黨水河堤防工程具有堤線長、堤身斷面結構及除險加固處理措施不同等特點,為了更加直觀體現局部堤段存在安全問題,根據黨水河河道區域內馬坪村段、李家店村段和鐵河街村段的河道兩側堤防特點,結合歷史險情統計情況,篩選出險情多發、安全情況較差的堤防典型斷面,通過判斷最危險堤段的安全情況,進而來推測整體黨水河堤防工程的整體安全性。

本次在黨水河堤防工程中馬坪村段等3個區域中各帥選出最危險的典型斷面,依次編號為①、②和③。通過對進行出險加固前后3個典型斷面進行邊坡穩定有限元計算,同時考慮強降雨影響下河道水位快速變化對堤防邊坡安全的影響,分析堤防除險加固前后的滲流和穩定安全。計算采用Geo studio 有限元計算軟件,采用摩根斯坦-普拉斯法計算邊坡穩定安全系數。

典型斷面①位于馬坪村段,加固后迎水坡比約為1∶1.5,上部護岸采用格賓石籠進行加固,下部采用漿砌石護坡進行防護,且與坡腳處設置混凝土護腳防水流沖刷。典型斷面②位于李家店村段,采用漿砌石擋墻進行加高加固,加固后迎水堤身坡比約為1∶2.5,坡腳處設置混凝土護腳。典型斷面③位于鐵河街村段采用漿砌石擋墻,護坡坡比1∶0.25,對已形成一定水流側蝕深度的堤基進行開挖整平,并設置混凝土護腳。堤高約為3.0～4.0 m,堤頂寬度約為4.0～4.5 m,枯水位為1.0 m,設計洪水位為2.4～2.7 m。堤后多為耕地和住戶,為了分析水位變化對堤防穩定及滲流安全的影響性,根據典型斷面①、②和③建立二維有限元計算模型,見圖1。

圖1 典型堤防①、②和③整治前后有限元模型

2.2 計算參數

黨水河道堤基主要成分為大理巖、結晶灰巖、砂巖等,堤身填筑料多為就地取材,根據現有地勘室內試驗資料,擬定穩定和滲流計算材料參數表,見表1,堤防土體和堤基材料均按非飽和滲流特性考慮,其堤身土體非飽和滲流特性函數見圖2。

表1 堤防材料滲透系數及物理特性

圖2 堤身土體滲流特性函數

2.3 計算工況

根據相關歷史水文資料,擬定不同堤段在強降雨影響下的計算工況,具體計算工況見表2。各個堤段以不同的水位變化速率由枯水位上升至設計洪水位,隨后以同樣水位變化速率由設計洪水位降至枯水位;各個堤段受水位變化影響;各個階段計算歷時均取為48 h。

表2 計算工況

3 河道整治工程前后邊坡穩定安全分析

3.1 整治前后河道堤防滲流安全分析

對典型斷面在水位變化過程進行滲流計算,分析3個典型斷面整治前后在水位變化影響下的滲流場變化規律。圖3和圖4為3個典型斷面在水位變化過程滲流量和滲透坡降變化圖。

圖3 水位上升階段滲流量和滲透坡降變化

圖4 水位下降階段滲流量和滲透坡降變化

3個堤防典型斷面中,堤身及堤基材料的材料性質基本一致,但典型斷面②的堤身材料性質防滲性較差。對典型堤段進行滲流有限元計算,對比分析整治前后典型堤段在水位變化過程中的滲流場變化規律。由圖3和圖4可知,在水位變化過程中,滲透坡降和滲流量變化規律表現為隨水位升高而增大,隨水位降低而減小,最后都趨于穩定。堤防未整治前,在水位變化過程中,典型斷面①、②和③的最大滲流量分別為1.06×10-1、1.30×10-1L/(m·s)和0.74×10-1L/(m·s),最大滲透坡降分別增至0.073、0.051和0.063,接近于土體允許坡降0.10。堤防整治后,典型堤段①、②和③的最大滲流量分別減小至1.07×10-1、0.65×10-1L/(m·s)和0.81×10-1L/(m·s);最大滲透坡降分別減小至0.057、0.40和0.061。

對比分析圖3及圖4中堤防整治前后滲流場計算結果可知,未整治前3個堤段滲流量和滲透坡降變化規律基本一致。典型斷面②由于堤身材料滲透性較差,隨著水位上升滲流量增長速率較快,滲流量比其余堤段大;滲透坡降極值均出現在天然岸堤背水側低高程處,由于堤段②防滲性較差,滲水量相對較多,堤前堤后水頭差較小,從而導致滲透坡降整體較低,受水位變化影響較小。整治后,3個典型堤段的滲流量和滲透坡降變化規律與整治前一致,由于各個典型斷面新建堤防均修筑了漿砌石護坡或擋墻,在一定程度上提高了堤迎水面的防滲性,使得新建堤防的滲流量及滲透坡降極值顯著減小。綜上所述,各個典型堤段采取不同的整治措施后,堤防滲流安全性均有所提高。

3.2 整治前后河道堤防邊坡穩定安全分析

分別對3個典型斷面在水位變化過程進行堤防邊坡穩定計算,分析堤防3個典型斷面在整治前后在水位變化影響下的堤坡穩定安全系數變化規律。圖5和圖6為3個典典型斷面在水位上升、下降過程堤坡穩定安全系數變化變化圖。

圖6 水位下降階段不同堤段穩定安全系數

由圖4～7可知,在水位變化過程中,各個典型堤段的臨水坡安全系數變化規律大體相同。水位上升時,堤坡穩定安全系數呈現出先增大、后減小,最后趨于穩定的變化規律;水位下降時,堤坡穩定安全系數呈現出先減小、后增大,最后趨于穩定的變化規律。

堤防未整治前,典型斷面①、②和③在枯水位下堤坡穩定安全系數分別為1.62、1.26和1.23;當水位上升至設計洪水位后,典型斷面①、②和③的穩定安全系數分別增大至2.23、2.15和1.88。在水位下降過程中,典型堤段①、②和③的邊坡穩定安全系數分別為1.08、1.22和1.05。堤防整治后,典型斷面①、②和③的在枯水位下堤坡穩定安全系數分別為2.36、2.19和2.02;當水位上升至設計洪水位后,典型斷面①、②和③的穩定安全系數分別增大至3.01、3.20和2.96;在水位下降過程中,典型斷面①、②和③的最小穩定安全系數分別為2.32、2.30和1.90。水位下降過程對于堤防迎水面是水壓力卸載的過程,導致迎水面抗滑力減小,邊坡穩定安全系數減小。此外,由于堤內水位下降速率慢于堤前下降速率,堤內孔隙水壓力未完全消散,堤防土體內會產生由內向外的滲透力,導致迎水面安全系數減小。

將圖5和圖6中水位變化過程3個典型斷面的臨水坡安全系數變化規律對比分析發現,未整治前,典型斷面③的邊坡穩定安全系數最小,主要是由于典型堤段③受水流側蝕嚴重,堤腳處已經存在一定深度的沖刷坑,故在枯水位下邊坡穩定安全系數僅為1.23。在河道受持續強降雨影響下,山區河道存在一定坡降,河道內水流會匯集于低高程區域,河道水位存在快速下降現象,堤內土體的浸潤線下降速率較河道水位下降速率慢,臨水側處受水堤內指向堤外的滲流壓力影響明顯。很容易產生邊坡失穩現象,典型堤段③堤腳存在沖刷坑,若是水位下降速率過快,存在較大的邊坡失穩風險。進行整治后,各個典型斷面在堤腳處均設置了混凝土護腳,并進行了砂石料回填加固,大大提高了新建堤防的迎水面穩定安全。綜上所述,各個典型斷面采取不同的堤腳加固措施后,堤坡穩定安全性顯著提高。

4 結 論

本文以黨水河河道治理工程為研究對象,根據山區丘陵區域特點,考慮山區河道水位變化、堤身材料和水流侵蝕對河道兩側堤防安全的影響,分析整治前后堤防的滲流和穩定安全。通過對黨水河道兩側堤防進行滲流和邊坡穩定有限元計算,明確了原老舊岸堤存在的風險,研究新建堤防在水位變化影響下邊坡穩定安全系數的變化規律,得出了以下結論:

(1) 黨水河道兩側原狀堤防由于填筑質量和多年運行等原因,在水位變化影響下,局部堤段存在邊坡失穩的風險。修整加固后,堤防整體防滲性也有所改善,新建堤防在邊坡穩定安全性提高。

(2) 現狀堤防采用格賓石籠及漿砌石擋墻進行加固,對堤腳處沖刷坑采用了設置混凝土固腳,顯著提高了堤防邊坡穩定安全性,現有加固措施行之有效。