(余干縣水利電力勘察設(shè)計院，江西 余干 335100)

科學(xué)研究及工程設(shè)計

河道坡岸穩(wěn)定影響因素的敏感性研究

李明峰

(余干縣水利電力勘察設(shè)計院，江西 余干 335100)

本文通過數(shù)理模型分析，對河道坡岸穩(wěn)定影響因素的敏感性開展研究，旨在為同類水利工程設(shè)計和施工應(yīng)用提供技術(shù)參考。

河道坡岸；穩(wěn)定因素；敏感性；研究

河道坡岸土體剪切應(yīng)力的水工載荷狀態(tài)，事關(guān)河道坡岸的穩(wěn)定性和安全性，是構(gòu)建牢固河道坡岸的技術(shù)保證之一。本文通過數(shù)理模型分析，對河道坡岸穩(wěn)定影響因素的敏感性開展研究，旨在為同類水利工程設(shè)計和施工應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 河道坡岸水工概化模型與相關(guān)假定述要

1.1 原狀河道坡岸的穩(wěn)定性分析模型

參照圖1模型可計算出邊坡崩塌破壞面積和崩塌體的有效重量，具體如下：A表示崩塌破壞面積，同時以滲透線為分割線將崩塌破壞面積分為上、下兩部分，用Au表示上部面積，用Ad表示下部面積，則A=Au+Ad。另外，通過研究分析圖形中各單位量之間的關(guān)系可計算出崩塌體的有效重量，公式為Wt=γAu+γsatAd。

圖1 原狀河道坡岸穩(wěn)定分析示意圖

1.2 河道坡岸的幾何要素

初始高度、張裂縫深度、臨河水位、地下水位，分別用H0、H′、Hw、Hd表示。第一、第二階邊坡坡腳分別用θ1、θ0表示，H1表示第一階邊坡坡高。張裂縫與坡頂邊緣之間的水平間隔、邊坡失穩(wěn)傾角、岸坡土體黏聚力、崩坍破壞面的長度分別用b、β、c、l表示，φ、α分別表示土體的內(nèi)摩擦角、滲透水壓力與水平方向的夾角。被水流沖刷之后的邊坡是復(fù)雜多變的，其具體狀況見圖2，同時，通過仔細(xì)分析水動力學(xué)模型中各幾何關(guān)系式可知ΔB、Δz分別表示橫向沖刷寬度和床面沖刷寬度。

1.3 河道坡岸計算假定

黏性沙或黏性土是河岸物質(zhì)的主要構(gòu)成部分，同時，在垂直方向上的分布是非常均勻且有規(guī)律的，一般利用泥沙的物理特性對其研究分析。若河岸主要是由黏性土質(zhì)所組成，則因其土質(zhì)的特殊性，一般坡度相對陡峭，破壞過程中土體通常處于極限平衡狀態(tài)，平面滑動破壞為主要的破壞形式。在本文中，只研究平面滑動，同時除了通過坡腳和坡趾產(chǎn)生的破壞面之外，其余破壞形式也不予研究。

1.4 水流沖刷作用下河道坡岸穩(wěn)定分析模型

受到水流沖刷過后的河道坡岸模型見圖2，通過分析圖中的各關(guān)系量可以計算出崩塌體的面積，具體公式如下：

(H0-H1-ΔBtanθ0)2tanθ0

-(H0-H1-ΔBtanθ0)H1tanθ0

圖2 水流沖刷作用下河道坡岸穩(wěn)定分析示意圖

1.5 河道坡岸的作用荷載

當(dāng)洪水退去后，河岸外側(cè)因洪水而遭受的水壓力逐步減小，而河岸內(nèi)部則會因黏性土體的低滲透性而產(chǎn)生一種新壓力，即外滲透壓力。洪水在水位降低的過程中，岸坡土體內(nèi)部孔隙水壓力一直處于浮動狀態(tài)，同時河岸另一側(cè)為河水，也存在一定的靜水壓力，它們都會對河岸造成一定壓力。岸坡內(nèi)孔隙水壓力見圖3。

圖3 作用在崩塌破壞面上的孔隙水壓力

由下式可以算出崩塌面上任意一點的孔隙水壓力：

Uw=ρwg(hw+ξ)

式中g(shù)——重力加速度；

ρw——水的密度；

ξ——地面水頭；

hw——地下水頭；

Uw——崩塌面上任意一點的孔隙水壓力。

總孔隙水壓力為崩塌面上各點壓力之和，可由下式計算：

若計算其它土質(zhì)的河道水位，可以根據(jù)ξ、hw之間的關(guān)系量再結(jié)合具體的崩塌塊形狀求出Uw的值。其中，滲透水壓力可由下式計算：

Pd=γwJAd

式中Ad——崩塌體滲透面以下的面積；

L——滲徑長度。

2 河道坡岸穩(wěn)定性分析模型

2.1 河道坡岸的計算模型

圖4所示為河道坡岸的概化橫剖面。

圖4 河道坡岸計算模型

利用剛體極限平衡法對岸坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，影響邊坡穩(wěn)定性的最主要因素是超孔隙水壓力以及滲透壓力，因此在土體內(nèi)摩擦角φ、岸坡內(nèi)地下水位Hd、土體黏聚力c這三個參數(shù)的選擇過程中要綜合多方面因素考慮，從而更好地進(jìn)行敏感性分析。

2.2 河道坡岸的概化

以下是概化邊坡的主要幾何要素：岸坡角α、臨河水位高度Hw、土體天然重度γ、飽和容重γsat分別為60°、3m 、 19.2kN/m3、 19.7kN/m3，同時H0為6m。用A表示整個滑體的表面積，滲透面以上、以下的滑體面積分別為Au、Ad，L為緩坡面長度，則根據(jù)圖4中的關(guān)系量和幾何關(guān)系可得

其中

3 河道坡岸的概化及算例分析

3.1 地下水位對河道坡岸穩(wěn)定性的影響

選取工況如下：Hw=5.0～5.5m；Hd=6.0m和6.2m。概化的幾何參數(shù)見表1。

表1 地下水位對河道坡岸穩(wěn)定性影響分析所依據(jù)的河道坡岸概化參數(shù)

圖5所示為地下水位分別處于6m、6.2m情況下，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與臨河水位之間的關(guān)系。通過仔細(xì)觀察圖5可知，若保持地下水位固定不變，則臨河水位與邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)之間成正比例關(guān)系。與此同時，河岸穩(wěn)定性會隨著地下水位的升高而變強。

圖5 臨河水位和地下水位對河道坡岸穩(wěn)定性的影響

3.2 臨河和地下的水位差對河道坡岸穩(wěn)定性的影響

穩(wěn)定性影響分析所依據(jù)的原狀河道坡岸概化模型如圖1所示。穩(wěn)定性影響分析所依據(jù)的河道坡岸概化參數(shù)見表2。

表2 穩(wěn)定性影響分析所依據(jù)的河道坡岸概化參數(shù)

穩(wěn)定性影響分析概化工況參數(shù)見表3。

表3 穩(wěn)定性影響分析概化工況參數(shù)

由圖6和圖7可知，這兩種情況下的河道坡岸穩(wěn)定性都與地下水位、臨河水位有著直接的關(guān)聯(lián)，一旦水位發(fā)生變化，都會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。其中，臨河水位與地下水位相比其水位下降速度要快，這主要是因為河岸土質(zhì)的特殊性，即黏性土具備持水性好的特點。從圖中可以看出，在水位下降前期，安全系數(shù)大幅度降低，表明此階段河岸極易發(fā)生崩塌，而當(dāng)水位下降到一定程度時，安全系數(shù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，則表明高水位可以確保邊坡的穩(wěn)定性。

圖6 原狀河岸臨河和地下水位差對河道坡岸穩(wěn)定性的影響

圖7 臨河和地下水位差對河道坡岸穩(wěn)定性的影響

3.3 岸淘蝕和床面沖刷對河岸穩(wěn)定性的影響

圖8 水流沖刷作用對河道坡岸穩(wěn)定的影響

圖8所示為水流沖刷作用下的河道坡岸。其中，概化的幾何參數(shù)為：H0=7m，H1=3m，b=4m，θ0=45°，θ1=60°，β=30°，γ=18kN/m3，γw=10kN/m3，γsat=20kN/m3，c=10kPa，φ=25°。ΔB、Δz分別表示橫向沖刷寬度和床面沖刷深度。選取的工況如下：Δz=0.25m，ΔB=0.30m；Δz=0.30m，ΔB=0.50m。

仔細(xì)觀察圖8可知，當(dāng)臨河水位、地下水位兩者相等時，河岸的崩塌速度會由于縱向沖深、橫向沖刷的作用而加快。若河床受到水流的猛烈沖刷，則邊坡的穩(wěn)定性會快速下降，發(fā)生崩岸的概率急劇上升。

通過分析上述幾種情況對河道坡岸穩(wěn)定性的影響，可以總結(jié)出一些經(jīng)驗，在預(yù)防河岸崩塌時，可采取提高邊坡坡趾抗沖刷能力的措施，同時，在坡體內(nèi)部建設(shè)排水系統(tǒng)，使坡體的地下水能夠快速排出。除此之外，為了增強岸坡的穩(wěn)定性，應(yīng)加強下游河岸的抗沖刷能力或者減少對下游河岸的沖刷作用，從而杜絕下游水位快速下降，使?jié)B透水壓力降低，進(jìn)而防止失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

4 影響因素的敏感性分析

4.1 針對單因素的敏感性分析公式

利用單因素敏感性計算公式可以分析出c、φ、Hd對邊坡穩(wěn)定性的影響，公式如下：

式中βji——第j個指標(biāo)對第i個不確定因素的敏感度系數(shù)，用絕對值表示，敏感性會隨著數(shù)值的變大而變高；

ΔYj——參數(shù)Yj的相對變化率；

ΔXi——各考核指標(biāo)的相對變化率。

4.2 關(guān)于影響因素的變化

由于水的長時間浸泡，土體黏聚力c從原本的25kPa下降到18kPa，且內(nèi)摩擦角、坡內(nèi)地下水位也逐步減小，前者下降到12.1°左右，后者從5m下降到4m。根據(jù)上述的關(guān)系數(shù)值，隨機(jī)組合成不同的工況類型來計算安全系數(shù)，其具體的計算方式為：首先選定一個岸坡作為基準(zhǔn)條件，算出其穩(wěn)定性安全系數(shù)，最后依次改變基準(zhǔn)條件下影響岸坡穩(wěn)定性的因素且其它條件不變，依次得出不同的安全系數(shù)，具體結(jié)果見表4。

表4 各主要影響因素變化的河岸穩(wěn)定安全系數(shù)

4.3 諸因素對安全系數(shù)的敏感度系數(shù)計算

下面將k作為指標(biāo)值，考核指標(biāo)分別為Hd、c、φ，然后算出與之對應(yīng)的敏感度系數(shù)，見表5～表7。

表5 安全系數(shù)k對Hd的敏感性分析

表6 安全系數(shù)k對c的敏感性分析

表7 安全系數(shù)k對φ的敏感性分析

仔細(xì)分析表5～表7可知：黏聚力c是三個影響因素中對邊坡穩(wěn)定性影響程度最大的參數(shù)，當(dāng)黏聚力c的數(shù)值從25kPa逐降下降到18kPa的過程中，敏感性系數(shù)與地下水位成正比關(guān)系，與內(nèi)摩擦角成反比關(guān)系。土體內(nèi)摩擦角φ是對岸坡穩(wěn)定性影響最小的參數(shù)，當(dāng)黏聚力減小時，對岸坡敏感性影響變強，而地下水位的變化對其敏感性的影響不是特別顯著。地下水位Hd對岸坡穩(wěn)定性的影響程度處于上述兩個參數(shù)之間，當(dāng)土體的黏聚力逐漸增大時，岸坡穩(wěn)定性對其敏感性的影響也變得越來越大，同時其也會隨著摩擦角的增大而變大。

5 結(jié) 論

本文對水位降落后河道坡岸崩塌破壞的機(jī)理及影響因素進(jìn)行了分析，并梳理了其中的重點概念。同時結(jié)合具體的邊坡穩(wěn)定性模型進(jìn)行計算，得出內(nèi)摩擦角φ、土體黏聚力c、地下水位高度Hd等參數(shù)對岸坡穩(wěn)定性的影響程度，結(jié)論如下：

a. 由于岸坡土體的特殊性，地下水位的變化是引發(fā)河岸崩塌的重要原因，在分析邊坡穩(wěn)定性時，應(yīng)把土體特性、靜水壓力、滲透水壓力等作為重點研究參數(shù)。

b. 土體內(nèi)摩擦角φ是對岸坡穩(wěn)定性影響最小的參數(shù)，當(dāng)黏聚力減小時，其對岸坡敏感性影響會變強，而地下水位的變化對其敏感性的影響不是特別顯著。

c. 黏聚力c是對邊坡穩(wěn)定性影響程度最大的參數(shù)，地下水位降低，敏感性系數(shù)變小，內(nèi)摩擦角變小，敏感性影響系數(shù)變大。

d. 地下水位Hd對岸坡穩(wěn)定性的影響程度處于上述兩個參數(shù)之間，當(dāng)土體的黏聚力逐漸增大時，岸坡穩(wěn)定性對其敏感性的影響也變得越來越大，同時，其也會隨著摩擦角的增大而變大。

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StudyonSensitivityofFactorsAffectingofRiverBankSlopeStability

LI Mingfeng

(YuganCountyWaterConservancyPowerSurveyandDesignInstitute,Yugan335100,China)

In the paper, the sensitivity of the stability factors affecting of river bank slope is studied through mathematical model analysis, thereby providing technical reference for design and construction application in similar water conservancy projects.

river bank slope; stability factors; sensitivity; study

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.011.008

TV85

A

1673-8241(2017)011-0029-05