基于Midas GTS/NX的新疆沙漠輸水明渠風積土岸坡穩定性分析

朱佳寧, 王建新,2*, 馮成明

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院, 烏魯木齊 830052;2.新疆農業大學新疆水利工程與水旱災害防治實驗室, 烏魯木齊 830052)

渠道岸坡相較于常見的邊坡,既有共同特點,也有其自身特點。其自身特點在于它的狀態與渠道內水位的位置有較大關聯。國內外已建的輸水工程因岸坡失穩而導致災害的常有發生:巴西圣保羅班加拉河流域岸坡在短期強降雨和長期累積降雨天氣下共發生65處滑坡失穩[1];四川省東風渠人工渠道[2]在強降雨天氣下,岸坡淺層土壤因抗剪強度降低,進而引起滑坡。河南省陸渾灌區干渠[3]、溪洛渡庫區金沙江右岸[4]和三峽木魚包[5]也曾因水位驟變導致了岸坡滑坡,給人民生命、財產安全帶來嚴重損害。因此對輸水明渠進行岸坡穩定分析時,不僅需研究降雨對其產生的影響,而且需研究渠道水位狀態對其產生的影響。

目前,國內外眾多學者針對渠道岸坡穩定性已開展大量的研究。沈丹萍等[6]基于Geo-Studio軟件分析膨脹土渠道在不同降雨強度和降雨時長下的邊坡安全系數和位移的變化規律,并運用灰色關聯度對邊坡的影響因素進行敏感性分析;朱銳等[7]運用SEEP/W得出北疆輸水渠道膨脹土岸坡在各類工況下的暫態滲流場,并以此將暫態孔隙水壓力用于渠道岸坡的極限平衡分析中(SLOPE/W 模塊),進而得出在各類工況下的渠道岸坡安全系數;Alonso等[8]采用控制變量法研究了在不同降雨強度和降雨歷時條件下對岸坡穩定性的影響;Guo等[9]研究了渠道在水位升降作用下岸坡的安全系數變化規律;汪斌等[10]、李清華等[11]采用流固耦合的數值分析方法,對水位升降作用下岸坡滲流場及應力場進行仿真模擬,并得出水位驟降和降雨是影響岸坡安全性的主要原因;文獻[12-13]研究了各類土體渠道在降雨、水位變化時期下的岸坡安全系數、變形特征和失穩機理的變化規律,但以上研究分析主要集中在膨脹土、鹽漬土、黃土和壤土等渠道岸坡穩定性的方面;王海林[14]、李紅娜[15]已對風積土渠道有所研究,但主要集中在風積土的壓實工藝和施工參數的選取,關于沙漠風積土渠道的岸坡研究和應用仍不成熟。鑒于風積土粒徑細小、天然含水率低、結構疏松、保水性差、無黏性等特殊的工程特點[16-17],因而對已建的新疆長距離輸水明渠風積土岸坡穩定性演變機理尚有深入研究探討的空間。

現以新疆沙漠輸水明渠風積土岸坡為實例,選取具有代表性的試驗段風積土岸坡作為研究對象,采用Midas GTS/NX軟件中的有限元強度折減法(strength reduction method,SRM)對渠道在未加固和加固兩種工況下的竣工期、降雨期、輸水期和水位驟降4個時期的風積土岸坡進行穩定性計算,以期在一定程度上為新疆沙漠風積土輸水渠道工程建設提供參考。

1 有限元強度折減法原理

Midas GTS/NX的岸坡穩定性分析主要采用了基于有限元法的強度折減法(SRM)[18-19]。

所謂有限元強度折減法,其求解過程與傳統極限平衡法原理本質上是一致的,在進行數值計算過程中,具體是采用逐步折減抗剪強度指標,即原有材料黏聚力c、內摩擦角φ分別考慮折減系數F,從而得到一組新的強度指標cF和φF,替換原來的抗剪強度指標c和φ,重復運算直至岸坡達到臨界破壞狀態,此時的強度折減系數F即為該岸坡的安全系數FS,如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

τfF=cF+σtanφF

(3)

式中:cF為強度折減后土體虛擬的黏聚力,kPa;φF為強度折減后土體虛擬的內摩擦角,(°);τfF為折減后的抗剪強度,kPa。

2 邊坡二維數值實例分析

2.1 工程實例

新疆古爾班通古特沙漠輸水明渠,由于料源的匱乏,均由當地土體填筑,全長為166.5 km,屬于大型長距離輸水工程[圖1(a)]。根據現場勘探,得出該地巖土體為風積土,顏色為淡黃色,具有弱濕陷性,顆粒組成以細砂(0.075～0.25 mm)和中砂(0.25～0.50 mm)為主,含量分別占43.1%～57.8%和22.4%～30.3%,平均粒徑0.24 mm,幾乎無黏性。顆粒圓度不一,為次圓狀～棱角狀。礦物成分以石英顆粒為主,可視為單一成分的特殊性土[圖1(b)]。

圖1 新疆沙漠風積土渠道實例

鑒于沙漠風積土輸水渠道剖面為對稱結構,因而選取渠道剖面的一半進行數值模擬,并假定渠道岸坡的風積土為均勻質、各向同性和連續接觸的彈塑性材料。同時由于渠道建于沙壟、沙丘地帶,地勢起伏不平,一般高差在10～20 m,因此選取具有代表性的橫斷面如圖2所示。該渠道岸坡長19.85 m,高9.24 m,坡度為1∶2.5。風積土輸水明渠位于沙漠地區,地下水位埋深達40～150 m,建模時暫不考慮地下水位對其岸坡產生的影響。為查明沙漠風積土渠道岸坡是否安全,需對渠道在竣工期、降雨期、輸水期、水位驟降4個時期的風積土岸坡進行穩定性分析。

圖2 渠道岸坡圖示

2.2 風積土的物理力學指標

根據開展室內土工試驗和查閱渠道現場地質勘察報告[20-21],綜合分析得出風積土的物理力學指標(表1)。

表1 風積土的物理力學指標

2.3 岸坡二維模型的建立和網格劃分

Mohr-Coulomb屈服準則是巖土工程中最簡單、應用最為普遍的屈服準則。因此在Midas GTS/NX軟件中進行沙漠明渠有限元模擬計算中岸坡風積土采用Mohr-Coulomb本構模型;同時為了提高網格與網格之間的耦合性,即在易滑帶附近尺寸按四周0.5 m→岸坡0.2 m進行加密過渡,并采用四邊形網格單元。渠道岸坡共劃分為1 642個節點,1 559個單元,根據表1的風積土數據,對模型施加對應的材料參數,各時期邊界條件詳見表2。

表2 各時期岸坡邊界條件

2.4 研究方案

(1)竣工期:對比在自然狀態下未加固與加固兩個工況下,風積土明渠岸坡的安全系數、整體位移和等效塑性應變區。

(2)降雨期:對比在西北沙漠地區強降雨天氣,即降雨強度為2.30×10-3mm/s,降雨時長6 h,總降雨量共50 mm時,未加固和加固兩個工況下風積土明渠岸坡的安全系數、整體位移和等效塑性應變區。

(3)輸水期:對比渠道位于初始水位時,未加固與加固兩個工況下風積土明渠岸坡的安全系數、整體位移和等效塑性應變區。

(4)水位驟降:對比水位在5 d內從初始水位驟降到渠底后,未加固與加固兩個工況下風積土明渠岸坡的安全系數、整體位移和等效塑性應變區。

(5)鑒于在降雨和輸水過程中,風積土岸坡含水率不斷變化,岸坡材質c和φ不斷變化。基于強度折減法(SRM)對風積土明渠岸坡進行穩定性分析,以獲得岸坡安全系數和整體位移。

3 岸坡穩定性

3.1 未加固時的岸坡數值模擬計算結果

在有限元分析時,對風積土岸坡采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型[22-23],并采取強度折減法進行穩定性計算。

《建筑邊坡工程計算規范》(GB 50330—2013)[24]將渠道岸坡穩定性歸納為穩定、基本穩定、欠穩定和不穩定4種狀態,寒旱區長距離輸水明渠風積土岸坡穩定性岸坡穩定安全系數FS劃分如表3所示。

表3 渠道岸坡穩定性狀態劃分

根據Midas GTS/NX軟件已計算得出未加固工況下竣工期、降雨期、輸水期、水位驟降4個時期渠道岸坡整體位移和安全系數FS,其具體計算數值詳見表4。

表4 未加固岸坡分析結果

由表4得出,在未加固時,風積土岸坡在竣工期由于坡體自重,造成整體位移約2.51 cm,安全系數為1.98;在強降雨工況下,由于雨水滲透岸坡土體內部,使風積土吸水飽和,容重增加,抗剪強度降低[25-26],使得岸坡整體位移增加至3.98 cm,安全系數下降至1.93,相較于竣工期安全系數降低了約2.6%;在輸水期,由于岸坡前緣水壓力增加,致使岸坡的安全系數上升至2.13,但相較于竣工期,由于坡體前緣水壓力增加,岸坡產生指向岸坡內部的水平方向的變形,渠底產生豎直向下的變形[27],使得岸坡整體位移增加至3.38 cm;渠道水位驟降時期,由于岸坡前緣水壓力驟減,渠道發生卸荷回彈,渠底產生豎直向上的變形,同時岸坡產生指向坡外的水平方向的變形[28],此時岸坡整體位移約5.50 cm,安全系數為1.70,相較于輸水期安全系數下降了約20.18%。竣工期、降雨期和輸水期的最危險滑弧面大致沿岸坡分布;水位驟降的最危險圓弧有向渠底發展的趨勢,詳見圖3。

圖3 未加固工況下各時期岸坡整體位移圖

圖4為未加固工況下4個時期風積土岸坡等效塑性應變區,竣工期、降雨期和輸水期時風積土岸坡等效塑性應變圖形大體相同,沿岸坡分布;水位驟降時期風積土岸坡的等效塑性貫通區較其他3個時期有沿向渠底發展的趨勢,因此可大致確定邊坡潛在滑動面呈圓弧分布且已貫通。

圖4 未加固工況下各時期岸坡等效塑性應變圖

經上述有限元強度折減法數值分析,在未加固工況下竣工期、降雨期、輸水期、水位驟降4個時期岸坡均處于較穩定狀態。鑒于渠道實際運行過程風積土受水荷載作用下,產生壓縮、濕陷變形,其岸坡表層存在約20 cm厚松散砂基處于欠密室狀態,常產生滲透流土破壞[29]。為進一步保證輸水渠道風積土岸坡的安全性,方便管理,經研究決定對風積沙岸坡采取加固措施,以期為結構提供穩定基礎,從而提高渠道的耐久性。

3.2 加固后的岸坡二維數值計算結果分析

為了保證新疆沙漠輸水明渠風積土岸坡的穩定和減少渠水滲漏損失,則要求渠道堤防加固材料達到一定的強度和防滲性能。墊層材料是渠道防滲結構層穩定的基礎。渠道設計前期,對風積土岸坡及渠底采取砂礫石基層、土工格室、化學固化劑、沙袋和土工膜袋等多種墊層形式進行對比試驗[30],綜合考慮結構穩定性、環境友好性、施工難易性和經濟合理性等多因素,最終選擇40 cm 厚的砂礫石作為墊層材料,并在其基礎上鋪設砂漿找平層、土工膜及C20預制混凝土襯砌板等措施來進行加固處理[圖1(c)、圖1(d)],典型加固橫斷面布置圖詳見圖5,具體材質物理力學指標詳見表5。

表5 材料的物理力學指標

渠道岸坡加固工況與未加固工況所賦予的邊界條件相一致,根據Midas GTS/NX軟件中有限元強度折減法(SRM),研究渠道加固工況下竣工期、降雨期、輸水期、水位驟降4個時期的岸坡整體位移、等效塑性區和安全系數的變化,其加固工況下具體計算數值見表6。

表6 加固岸坡分析結果

由表6可知,加固工況下竣工期由于岸坡及渠底襯砌結構的約束,整體位移量縮小至約1.33 cm,安全系數增加至3.16,相較于未加固工況下竣工期整體位移縮小了47.0%,安全系數增加約37.3%;降雨期由于岸坡和渠底已鋪設襯砌層結構,雨水大量從渠頂滲入,使渠頂表層土體吸水飽和,土體容重增大,抗剪強度降低,岸坡安全系數下降至3.13,相較于加固工況下竣工期安全系數縮小了0.9%;輸水期時,由于風積土岸坡前緣水壓力增加,岸坡產生指向岸坡內部的水平方向的變形,渠底產生豎直向下的變形,但由于襯砌結構的約束,變形較小,坡體整體位移僅為1.21 cm,此時岸坡安全系數達到3.37,使得岸坡更加穩定;水位驟降時期,由于坡體前緣水壓力驟減,渠道土體及襯砌產生卸荷回彈,此時岸坡整體位移增加至3.28 cm,安全系數為3.09,相較于加固工況下輸水期安全系數下降了8.3%,整體位移量增加了約63%。加固工況下竣工期、降雨期和輸水期的岸坡最危險滑弧面大致沿岸坡分布;水位驟降時期的岸坡最危險圓弧有向渠底發展的趨勢,詳見圖6。

圖6 加固工況下各時期岸坡整體位移圖

經加固后的風積土岸坡由于防滲襯砌結構層的約束,等效塑性應變區由原先圓弧狀變成大體沿襯砌層呈直線分布,原有圓弧狀塑性應變區已不明顯,使滑移帶位移變形得到了較好的限制,避免其發生過大變形,使岸坡達到極限平衡失穩狀態,有效保證了岸坡的整體穩定性,較大程度降低了發生滑坡災害的可能,加固工況下岸坡等效塑性區詳見圖7。

圖7 加固工況下各時期岸坡等效塑性應變圖

3.3 未加固與加固岸坡數值模擬結果對比

由圖8和圖9分析可知,未加固與加固兩個工況下,輸水期由于風積土岸坡前緣水壓力增加,坡體前緣水壓陡增,有效提高渠道岸坡的安全系數;對風積土渠道岸坡產生較大位移的分別為降雨期和水位驟降兩個時期。經過對渠道岸坡及渠底鋪設防滲襯砌結構層后,相較于未加固時降雨期和水位驟降兩個時期,風積土岸坡總體位移量分別減少了56.4%和40.4%,對渠道整體位移產生了有效約束。由圖8對比可知,未加固時,岸坡處于較為穩定的狀態,但影響風積土岸坡穩定性因素較多,經綜合考慮對風積土岸坡加固以后,岸坡的安全系數遠大于1.30,可保障新疆風積土輸水明渠長期穩定運行。

圖8 未加固與加固岸坡位移對比圖

圖9 未加固與加固岸坡安全系數對比圖

在未加固和加固兩種工況對比下,渠道水位驟降對岸坡安全系數影響最大,降雨次之,則要求當地工作人員控制上下游輸水速率,避免水位驟升驟降,同時要定期監測,修復渠道破壞之處,保障沙漠風積土渠道的正常輸水。

4 結論

根據Midas GTS/NX軟件中的強度折減法,建立了新疆沙漠輸水渠道未加固與加固兩個工況下岸坡的模型,所得結論如下。

(1)通過分析渠道岸坡未加固和加固兩個工況下竣工期、降雨期、輸水期、水位驟降4個時期的岸坡穩定性,得出兩個工況下4個時期岸坡均處于穩定狀態。

(2)雖然未加固工況下渠道岸坡處于穩定狀態,但為預防風積土岸坡長期受渠水沖刷和水位驟升驟降的影響,土體滲透性增強,岸坡隨時間的延長抗剪強度降低,從而會產生滑坡的可能。因此經分析研究決定,對風積沙岸坡進行加固處理,通過數值模擬,加固效果良好。

(3)未加固時,4個時期的岸坡等效塑性應變圖呈圓弧狀,經加固后,等效塑性應變圖大體沿襯砌呈直線分布,說明已較好控制了滑移帶位移變形,使岸坡不再出現過大變形,從而發生極限平衡失穩狀態,保證了岸坡的整體穩定,較大程度降低了滑坡災害發生的可能性。

(4)通過對未加固和加固兩個工況4個時期的岸坡總體位移量和安全系數對比分析,得出水位驟降對岸坡影響最大,降雨次之,則要求當地工作人員控制上下游輸水速率,避免水位驟升驟降,同時需要定期監測,修復渠道因各項原因導致破壞之處,保障渠道的正常輸水。