劉 動，陳曉平，黃井武

(1.暨南大學理工學院，廣東廣州 510632;2.暨南大學重大工程災(zāi)害與控制教育部重點實驗室，廣東廣州 510632;3.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510170)

人工堤防是約束河勢、防御洪水的重要屏障，其穩(wěn)定性取決于兩方面因素，一是堤防斷面的設(shè)計和堤身、堤基材料特性，另一是堤壩在各種荷載作用下的響應(yīng)，包括河流沖刷力、滲透壓力、自重壓力等，其中近岸水流對堤腳和堤岸的沖刷現(xiàn)象在我國25萬km的各類堤防上十分普遍，由沖刷導(dǎo)致的堤壩穩(wěn)定方面的問題也時有發(fā)生，特別是一些填筑質(zhì)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(wěn)定構(gòu)成極大威脅。鑒于工程失穩(wěn)的嚴重后果，河流沖刷作用下的堤防穩(wěn)定性問題一直受到政府和相應(yīng)技術(shù)部門的高度重視。

河流沖刷下堤岸穩(wěn)定狀態(tài)反映水與堤岸 (堤腳)結(jié)構(gòu)相互作用的過程和結(jié)果。對于人工堤岸，河流沖刷將造成堤腳幾何形狀的改變，并因此改變水流邊界條件;邊界條件的改變反過來影響河勢，進而通過河勢的變化影響堤防，這種演變過程一直在平衡與不平衡之間延續(xù)，其力學過程涉及多學科知識，是研究中的難點。

本文選擇廣東北江西南鎮(zhèn)河段為研究對象，對沖刷作用下堤岸及河床幾何形狀改變進行預(yù)測，在此基礎(chǔ)上提出了了平面水動力學－土力學堤岸穩(wěn)定耦合分析方法，探討河流沖刷對堤岸穩(wěn)定性和變形的影響。

1 堤岸及河床演變與預(yù)測方法

沖刷作用下堤岸及河床變形演變的過程非常復(fù)雜，涉及的因素也是多樣的，但歸根到底是水流、沙和岸坡相互作用的結(jié)果。目前研究堤岸變形演變的方法主要有［1－3］:① 模型試驗方法，此方法主要針對重大水利工程，由于水、沙相互作用的模擬非常復(fù)雜，要求投入成本較高，且需要較多人力和物力支持。②數(shù)學模型方法，利用數(shù)學方法建立模型，模擬水、沙和岸坡的作用過程，成本少、研究方便，但由于水、沙、邊界問題的復(fù)雜性，數(shù)學求解較困難，無法預(yù)測沖刷過程的各種隨機因素，且對某些特殊的堤岸變形無法模擬和預(yù)測。③實測資料分析法，對于一般工程問題，常利用此方法進行定性的推理分析，利用已有監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測后期岸坡的演變。

堤岸變形演變是一個復(fù)雜的非線性動態(tài)系統(tǒng)，其演變的實質(zhì)是水、沙和岸坡的相互作用，不斷調(diào)整的結(jié)果，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有的較強非線性映射能力、較高的容錯性、較廣的適應(yīng)能力，都十分適合非線性問題的研究，因此可以說用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來研究堤岸的演變和預(yù)測是非常合適的。本文利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對堤岸及河床變形進行了定量的預(yù)測分析，得到河流沖刷后堤岸坡腳的幾何形態(tài)，作為探討河流沖刷作用下的堤岸穩(wěn)定性的重要前提。

1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的影響引子的分析

水流沖刷下堤岸及河床的變形主要取決于近岸水流的沖刷能力和堤岸的抗沖能力。水流的沖刷能力體現(xiàn)在沖刷作用對堤岸及河床的影響，堤岸沖刷根據(jù)控制條件分為沖積作用和非沖積作用，前者指水流直接沖刷和重力作用下的坍塌，后者指其他外界條件造成河岸土體被淘刷和強度減小造成的坍塌，天然條件下兩種作用同時控制著河岸的沖刷過程，其中水流的沖積作用是主要的控制因素［4］。水流的沖刷能力概括成對堤岸及河床的影響引子主要包括:上游來水量 (Q)，來水變化規(guī)律，上游輸沙量 (S)，輸入沙量的變化規(guī)律，及泥沙組成等因素。仔細分析上述因素，可以發(fā)現(xiàn)一般河流的沖刷和淤積過程多是由底沙輸送方式完成的，而來水變化規(guī)律和輸入沙量的變化規(guī)律只對懸沙沖刷淤泥現(xiàn)象明顯的河段有影響，因而來水來沙變化規(guī)律除特殊情況外對岸坡及河床的變形影響一般可忽略不計。另外，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)一般河道的泥沙組成每年是基本不變的，所以泥沙變化這一因素在研究岸坡及河床的沖刷淤泥時往往也忽略不計。由此可見水流的沖刷能力概括起來可以簡化為兩個影響引子，上游來水量 (Q)和上游輸沙量 (S)。堤岸的抗沖能力主要與河岸土體性質(zhì)、顆粒級配、粒間電化學作用、堤坡角度等因素有關(guān)，對于非黏性土河岸，當土體被水流沖動時，以單個顆粒的運動形式起動，抗沖力主要來自土體的有效重力，對于黏性土堤岸，當土體被水流沖動時，以大小不等的顆?；蚰鄩K為起動單元，抗沖力主要來自土體的黏聚力［5］。堤岸的抗沖能力概括成對堤岸和河床的影響引子主要包括:河岸土體性質(zhì)，河岸的比降(J)，河床形態(tài)等因素。其中河岸土體性質(zhì)對于一般河道常年是不會發(fā)生重大變化的，因而可以忽略不計。河岸的比降一般不易獲取，但比降是由上下游水位確定的，上游水位的影響可以體現(xiàn)在上游來水量 (Q)，可忽略，所以可以用下游水位 (Z)替代河岸的比降 (J)這一影響引子。河床形態(tài)一般由河岸的寬深比來體現(xiàn) (B0.5/H)，其中B為河寬，H為河深。因而堤岸的抗沖能力可以簡化為兩個影響引子，下游水位 (Z)和河床形態(tài) (B0.5/H)。而對于河流沖刷作用下人工堤岸穩(wěn)定性研究，我們所關(guān)注的是河岸的變形預(yù)測，所以預(yù)測模型的輸出引子是平均淤積厚度 (△H)。綜上所述，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究堤岸及河床的變形，輸入引子簡化為上游來水量 (Q)、上游輸沙量 (S)、下游水位 (Z)和河床形態(tài) (B0.5/H)，輸出引子為平均淤積厚度 (△H)。

1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型各影響引子的獲取

利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究堤岸的演變和預(yù)測，輸入引子和輸出引子的獲取是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實測資料豐富的情況下，一般都可順利的定量確定各影響引子。對于堤岸及河床的變形預(yù)測模型中的影響引子，上游來水量 (Q)、上游輸沙量 (S)和下游水位 (Z)一般可從上下游的各級水文站處獲取，而河床形態(tài) (B0.5/H)及平均淤積厚度可通過對地形圖進行一定的圖像處理來獲得，此種獲取途徑有一定的誤差，但一般可滿足實際工程的需要。

1.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)與工作原理

本文擬采用具有較強非線性映射能力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來研究堤岸及河道的變形。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中采用誤差反傳算法作為其學習算法的前饋網(wǎng)絡(luò)，由輸入層 (一層)、隱含層 (一層或多層)和輸出層 (一層)組成，層與層之間的神經(jīng)元采用全互連的連接方式，通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)W相互聯(lián)系，每層內(nèi)的神經(jīng)元之間沒有連接(如圖1所示)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習過程一般包括:“信息正向傳播”→“誤差反向傳播”→“記憶訓練”→“學習收斂”這4個部分組成［6］。BP網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用于預(yù)測預(yù)報之前，需要一個網(wǎng)絡(luò)學習過程，然后才可以用建立好的模型進行預(yù)測，其工作原理也是非常清晰的，以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測堤岸及河道變形為例，將上游來水量 (Q)、上游輸沙量(S)、下游水位 (Z)和河床形態(tài) (B0.5/H)4個輸入引子從輸入層輸入，經(jīng)過隱含層逐層計算直到輸出層得到的輸出引子平均淤積厚度 (△H)，比較輸出引子平均淤積厚度 (△H)與期望值的差別，計算出誤差，然后反向傳播，通過網(wǎng)絡(luò)將誤差內(nèi)容沿原路徑傳回各層神經(jīng)元，并根據(jù)誤差修改其權(quán)值，使得下次正向傳播可以得到與期望值更為接近的信息。隨著輸入引子的正向傳遞與誤差的反向傳播的多次進行，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的輸出引子平均淤積厚度 (△H)逐漸趨近期望值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習過程也就隨之結(jié)束。將要預(yù)測的輸入引子上游來水量 (Q)、上游輸沙量 (S)、下游水位 (Z)和河床形態(tài) (B0.5/H)代入學習完成的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)過各層網(wǎng)絡(luò)的傳播，就可以得到我們期望的平均淤積厚度 (△H)預(yù)測值。

2 沖刷作用下堤岸穩(wěn)定分析方法

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of neural network schematic diagram

沖刷作用下堤岸穩(wěn)定分析方法是首先要確定堤岸的沖刷狀態(tài)，然后根據(jù)邊坡穩(wěn)定方法計算堤岸被沖刷后的變形和穩(wěn)定性，同時評價沖刷條件下堤岸的穩(wěn)定性。此類方法在穩(wěn)定分析方面基于極限平衡條件和土的摩爾－庫侖準則，最早是根據(jù)侵蝕堤岸進行簡單土坡穩(wěn)定分析［7］，或針對簡單土坡的幾何剖面與侵蝕堤岸幾何剖面的差異，提出了考慮沖刷后幾何剖面的堤岸穩(wěn)定分析方法［8－10］。后來學者在此基礎(chǔ)上又進一步改進，對破壞面位置、滑動面形狀、靜水壓力和孔隙水壓力作用等進行了考慮，針對不同的土質(zhì)提出了不同的力學模擬方法和堤岸坍塌判別方法［11－16］。

在已有的研究成果中，基本局限于改進沖刷堤岸幾何剖面和坍塌模式，而在穩(wěn)定分析理論、沖刷條件下堤岸幾何剖面改變后堤體內(nèi)部變形特性及對穩(wěn)定的影響、沖刷與滲流共同作用下堤岸穩(wěn)定評價等方面研究較少。本文基于上述考慮提出了平面水動力學－土力學堤岸穩(wěn)定耦合分析方法 (Levee Stability Coupling Model Based of Hydrodynamics Soil mechanics，LSCMHS)，其具體過程為:

1)根據(jù)堤岸設(shè)計橫斷面確定自重應(yīng)力和滲流力共同作用下的耦合應(yīng)力場，根據(jù)堤岸土體特性選擇適當?shù)耐馏w本構(gòu)模型計算相應(yīng)于上述耦合應(yīng)力場的應(yīng)變場 (變形場)，作為沖刷條件下堤岸穩(wěn)定分析的初始條件;

2)根據(jù)堤岸及河床變形的演變預(yù)測模型確定堤岸被沖刷后的幾何形狀，與設(shè)計剖面比較后確定沖刷后的計算橫斷面，再次通過計算確定耦合應(yīng)力場和應(yīng)變場，與沖刷前進行比較，根據(jù)塑性區(qū)域發(fā)展范圍判別堤岸整體穩(wěn)性和局部穩(wěn)定特征;

3)采用強度折減法確定沖刷前后塑性區(qū)域特征，通過對塑性區(qū)和特征點位移值綜合判定，給出整體安全系數(shù)和局部安全系數(shù)。

該方法需采用數(shù)值分析技術(shù)，并非商業(yè)軟件中的計算方法，主要優(yōu)點在于不必事先假設(shè)滑動面位置和形狀，同時可以根據(jù)所選擇的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)用于不同的筑堤土體 (材料)，在考慮沖刷作用的同時考慮自重應(yīng)力和滲流力對堤岸穩(wěn)定的影響，當計算不同工況時，還可以通過滲流場的計算考慮水位的上升與降落。

3 實例分析

3.1 基本概況

廣東北江大堤某河段位于北江下游，水流沖刷作用已造成部分近岸河道下切，所形成的堤腳掏空對人工堤防的穩(wěn)定構(gòu)成明顯威脅。(見圖2)。

圖2 典型斷面堤腳被沖刷現(xiàn)象Fig.2 River scour phenomenon of the toe of slope in typical section

3.2 堤岸坡腳被沖刷預(yù)測

本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來對河段人工堤岸坡腳被沖刷情況進行計算與預(yù)測。根據(jù)水文資料確定計算斷面的上游來水量 (Q)、上游輸沙量(S)、下游水位 (Z)和河床形態(tài) (B0.5/H)如表1，將其作為影響引子 (輸入向量)，平均沖淤厚度△H為沖刷結(jié)果 (輸出向量)，以1999年至2008年10個年份實測資料作為訓練樣本，2009年實測資料作為預(yù)測樣本。

表1 計算河段各斷面特征值統(tǒng)計表Table 1 Section eigenvalue statistical table

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)研究斷面的實測特征值進行網(wǎng)絡(luò)學習和預(yù)測。由于各斷面數(shù)據(jù)較多，每個斷面選擇高程為－2 m、－8 m、－12 m的岸線位置作為輸出數(shù)據(jù)，計算結(jié)果和預(yù)測結(jié)果對比見表2。

表2 各斷面2009年坡腳岸線位置實際值與計算值對比表Table 2 Actual value and calculated value of the embankment toe shoreline in 2009

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到典型斷面51+575的堤岸坡腳沖刷預(yù)測結(jié)果對比圖 (見圖3)。由圖可見計算結(jié)果與實際情況基本一致，典型斷面的坡腳岸線位置預(yù)測較為準確。綜上可以看出，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以較準確的預(yù)測堤岸坡腳的沖刷變形情況，得到河流沖刷作用后的堤岸坡腳幾何性狀。

圖3 典型斷面河流沖刷預(yù)測結(jié)果對比圖Fig.3 River scour prediction results contrast diagram of typical section

3.3 河流沖刷作用下堤岸穩(wěn)定性分析

3.3.1 計算工況及計算方法 河流沖刷作用下人工堤壩穩(wěn)定分析選擇的典型斷面如圖3所示，根據(jù)堤岸的設(shè)計標準和實測資料繪出了初始設(shè)計斷面(圖4a)和由于沖刷作用形成的沖刷后斷面 (圖4b)。根據(jù)分析和堤壩的運行情況，計算時針對以下幾種工況采用上述平面水動力學－土力學堤岸穩(wěn)定耦合分析方法進行整體穩(wěn)定分析:

1)高水位 (百年一遇)并形成穩(wěn)定滲流;

2)枯水位并形成穩(wěn)定滲流。

圖4 沖刷前后的計算斷面Fig.4 Computation sections before and after river scour

3.3.2 計算參數(shù) 根據(jù)岸坡土體特征，采用摩爾－庫倫本構(gòu)模型，根據(jù)現(xiàn)場取樣和室內(nèi)試驗，確定堤基及堤身土質(zhì)情況力學參數(shù)如表3所示。

表3 計算選用參數(shù)Table 3 Calculation parameters

3.3.3 計算結(jié)果與分析 采用前述穩(wěn)定分析方法對指定斷面形式進行了不同工況下的整體穩(wěn)定性分析，計算結(jié)果見表4，最危險滑弧位置見圖5、圖6，圖中由淺色到深色區(qū)域代表等效塑性應(yīng)變逐漸增大;設(shè)定沖刷前的岸坡狀態(tài)為初始場，則由于河流沖刷作用造成坡腳坡面缺損后岸坡變形特征見圖7，圖中從淺到深色區(qū)域代表位移逐漸增大。

表4 堤壩邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果匯總Table 4 Safety factor results of the overall stability of the slope

圖5 高水位并形成穩(wěn)定滲流時整體穩(wěn)定分析Fig.5 Overall stability analyze with high water level and steady seepage flow

上述計算結(jié)果表明，高水位時堤壩沖刷前后整體穩(wěn)定安全系數(shù)相差不大，表明堤壩在坡面或坡腳被沖刷后對其整體穩(wěn)定影響不敏感;枯水位時坡面和坡腳被沖刷前后的整體穩(wěn)定性有明顯降低，局部區(qū)域出現(xiàn)了滑動破壞，從計算結(jié)果中看出在坡腳處塑性區(qū)貫通，出現(xiàn)小范圍滑動，表明在水位較低時人工堤壩上游坡面對沖刷造成的坡腳處形狀的變化比較敏感。采用平面水動力學－土力學堤岸穩(wěn)定耦合分析方法，根據(jù)河床變形的演變預(yù)測模型確定了堤岸被沖刷后的幾何形狀，與設(shè)計剖面比較后確定了沖刷后的計算橫斷面，考慮了時間因素的影響。另外，沖刷作用形成的坡腳或坡面缺損可以導(dǎo)致坡面及坡腳產(chǎn)生附加變形，特別是被沖刷區(qū)域附近，這對于堤岸的安全運行來說是極為不利的。

4 結(jié)語

1)根據(jù)當前的實測資料預(yù)測未來沖刷結(jié)果對于人工堤防的運行是極為重要的，各種預(yù)測方法中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因為簡單易行，可考慮水動力因子的影響而具有實際應(yīng)用的優(yōu)勢。本文所建立的模型可操作性強，實測資料驗證了預(yù)測結(jié)果的可信。

2)通過對水流沖刷后的邊坡進行的整體穩(wěn)定分析和應(yīng)力－應(yīng)變分析表明了沖刷造成坡腳、坡面缺損后邊坡整體穩(wěn)定性的降低和沖刷區(qū)變形的增加。這種將基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的沖刷預(yù)測模型和邊坡穩(wěn)定分析模型相結(jié)合的水動力學－土力學堤岸穩(wěn)定耦合分析方法可以將沖刷作用及對堤壩整體穩(wěn)定的影響作為因果，極大的提升了河流沖刷模型的實際應(yīng)用價值。此方法通過有限元模型極易拓展到各類非均質(zhì)堤壩在沖刷條件下的變形分析和預(yù)警，具有較好的適宜性和實用性，這對于堤防建設(shè)和運行管理具有重要意義。

3)根據(jù)本文的研究思路，可結(jié)合可視化技術(shù)實現(xiàn)“實測－預(yù)測－穩(wěn)定評價”的一體化自動分析，對于人工堤防的運行管理具有實際應(yīng)用價值，可以實現(xiàn)沖刷條件下堤壩邊坡的預(yù)測預(yù)警。

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