孫彥彪

(遼寧瑞宸工程建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，遼寧 鐵嶺 112003)

0 前 言

當(dāng)前，中小河流管理需要合理設(shè)置河堤工程地質(zhì)參數(shù)，以提高中小河流在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性[1]。傳統(tǒng)方法主要使用數(shù)值模型仿真來(lái)計(jì)算工程地質(zhì)參數(shù)[2]-[6]。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，它可以為各種河流堤提供更精確的地質(zhì)參數(shù)時(shí)空分布，但是操作起來(lái)更加復(fù)雜。需要建立河堤的數(shù)學(xué)模型[7]。近年來(lái)，許多區(qū)域已經(jīng)使用物理模型測(cè)試了河堤的地質(zhì)參數(shù)分析。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它更適合實(shí)際工程項(xiàng)目，但缺點(diǎn)是需要更多的資金來(lái)完成[8]。近年來(lái)，通過(guò)野外觀察實(shí)驗(yàn)確定河堤地質(zhì)參數(shù)。這種方法比較容易，基本上可以滿足中小型河道工程的實(shí)際需要。它是通過(guò)測(cè)量許多地區(qū)河堤建設(shè)的地質(zhì)參數(shù)而獲得的[9-14]。由于尚未應(yīng)用到遼寧地區(qū)，因此結(jié)合物理模型和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)來(lái)分析和優(yōu)化遼寧地區(qū)中小河堤防工程的地質(zhì)參數(shù)。研究結(jié)果對(duì)于確定中小型河流堤防工程治理和設(shè)計(jì)具有參考意義。

1 地質(zhì)參數(shù)分析方法

物理模型水流流體，設(shè)定為多孔傳輸?shù)慕橘|(zhì)，河道堤防的滲透系數(shù)采用達(dá)西定律進(jìn)行計(jì)算：

(1)

該滲透系數(shù)物理模型簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)統(tǒng)達(dá)西計(jì)算定律的計(jì)算方程：

(2)

式中：K為確定的河道堤防滲透系數(shù)，cm/s；J為水力學(xué)比降，%；h為計(jì)算水頭，cm；S為水力半徑，cm；r為容重值，kg/m3。滲透孔隙度計(jì)算方程為：

(3)

由方程：

(4)

水流阻力系數(shù)計(jì)算方程為：

(5)

式中：a和u分別為地質(zhì)參數(shù)。非穩(wěn)定滲透水流的計(jì)算方程為：

(6)

各方向滲透系數(shù)的參數(shù)為常數(shù)值，則方程可簡(jiǎn)化為：

(7)

若按照同一個(gè)方向進(jìn)行滲透，則方程為：

(8)

式中：Z為滲透水流計(jì)算參數(shù)值。

2 研究實(shí)例

2.1 物理模型概況

物理模型試驗(yàn)由過(guò)度連接段、動(dòng)床河段、穩(wěn)水河段三個(gè)部分組成，總長(zhǎng)為45m。驗(yàn)河槽動(dòng)水段和過(guò)渡連接河段分別為30m和5m，采用長(zhǎng)度為20cm的粗砂段將過(guò)渡連接河段與動(dòng)水河床段進(jìn)行連接，物理模型試驗(yàn)河段如圖1所示。

圖1 模式試驗(yàn)河段平面布置圖

2.2 地質(zhì)參數(shù)分析

采用物理模型放水試驗(yàn)的方式對(duì)地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行確定，首先結(jié)合原位觀測(cè)試驗(yàn)方式對(duì)中小河流堤防施工不同試驗(yàn)斷面的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析，如表1所示，結(jié)合各試驗(yàn)河段的地質(zhì)參數(shù)，分別進(jìn)行15組物理模型方式試驗(yàn)，對(duì)其穩(wěn)滲參數(shù)進(jìn)行確地，滲透系數(shù)確定結(jié)果如表2所示。

表1 各試驗(yàn)河段地質(zhì)參數(shù)

表2 地質(zhì)穩(wěn)滲系數(shù)分析結(jié)果

從試驗(yàn)分析結(jié)果可看出，不同河段地質(zhì)參數(shù)具有較為明顯的差異度，河道堤防地質(zhì)參數(shù)受不同土層類型影響較大，此外各地質(zhì)參數(shù)隨著土層厚度的增加，對(duì)于同一類型土層而言，其地質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)具有所遞增。對(duì)于相同土層厚度而言，粉質(zhì)黏土的黏聚力在中小河流堤防工程土層中最大，其次為素填土。而對(duì)于內(nèi)摩擦角而言，粉砂由于具有較低的黏聚力，使得其內(nèi)摩擦角較大，而對(duì)于河道堤防工程而言，內(nèi)摩擦角越大，越不利于河道堤防工程的穩(wěn)定性。由于具有較高的黏聚力，素填土的內(nèi)摩擦角較大，有利于河道堤防工程的穩(wěn)定性。文章重點(diǎn)對(duì)河道堤防工程地質(zhì)穩(wěn)滲系數(shù)進(jìn)行了分析，從穩(wěn)滲分析結(jié)果可看出，試驗(yàn)測(cè)定的穩(wěn)滲系數(shù)和計(jì)算的穩(wěn)滲系數(shù)之間的誤差較低，可滿足河道堤防工程設(shè)計(jì)的要求。一般而言，對(duì)于穩(wěn)定系數(shù)較高的河道堤防試驗(yàn)段其誤差相對(duì)較低，而對(duì)于穩(wěn)定系數(shù)較低的河道堤防試驗(yàn)段其誤差一般相對(duì)較高。

2.3 不同方法對(duì)比分析

結(jié)合15組放水試驗(yàn)測(cè)定穩(wěn)滲系數(shù)進(jìn)行分析，分別對(duì)傳統(tǒng)方法和新方法下的穩(wěn)滲系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而確定較為優(yōu)化的河道堤防施工地質(zhì)參數(shù)的方法，兩種方法對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 兩種方法的穩(wěn)滲系數(shù)對(duì)比結(jié)果

穩(wěn)滲系數(shù)是中小河流堤防治理工程重要的一項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)，其對(duì)于河道堤防工程的穩(wěn)定性十分重要。近些年來(lái)，對(duì)于穩(wěn)定系數(shù)的獲取主要通過(guò)原位觀測(cè)試驗(yàn)的方式進(jìn)行，但這種方式很難得到不同地質(zhì)類型下的穩(wěn)定滲透系數(shù)，存在一定的局限性，為此文章采用物理模型并結(jié)合原位觀測(cè)兩種方式，提高了不同地質(zhì)類型對(duì)其穩(wěn)定系數(shù)的科學(xué)核定。從兩種方法計(jì)算的穩(wěn)定滲透系數(shù)的精度結(jié)果可看出，相比于傳統(tǒng)只采用原位觀測(cè)試驗(yàn)的方式，通過(guò)物理模型試驗(yàn)方式可以實(shí)現(xiàn)不同河道堤防地質(zhì)類型以及放水流量對(duì)其河道堤防穩(wěn)定滲透系數(shù)的影響，且新方法下計(jì)算的穩(wěn)定滲透系數(shù)的精度也明顯要好于傳統(tǒng)方法，采用新方法計(jì)算的穩(wěn)定滲透系數(shù)的誤差均可在20%以內(nèi)，相比于傳統(tǒng)穩(wěn)定滲透系數(shù)的計(jì)算方法，且相對(duì)誤差可以降低5.6%左右，精度提升效果較為明顯。

3 結(jié) 論

1)對(duì)于同一類型土層而言，其地質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)具有所遞增。對(duì)于相同土層厚度而言，粉質(zhì)黏土的黏聚力在中小河流堤防工程土層中最大，其次為素填土。而對(duì)于內(nèi)摩擦角而言，粉砂由于具有較低的黏聚力，使得其內(nèi)摩擦角較大，而對(duì)于河道堤防工程而言，內(nèi)摩擦角越大，越不利于河道堤防工程的穩(wěn)定性。

2)穩(wěn)滲系數(shù)是中小河流堤防治理工程重要的一項(xiàng)地質(zhì)參數(shù),一般而言，對(duì)于穩(wěn)定系數(shù)較高的河道堤防試驗(yàn)段其誤差相對(duì)較低，而對(duì)于穩(wěn)定系數(shù)較低的河道堤防試驗(yàn)段其誤差一般相對(duì)較高。

3)采用新方法計(jì)算的穩(wěn)定滲透系數(shù)的誤差均可在20%以內(nèi)，相比于傳統(tǒng)穩(wěn)定滲透系數(shù)的計(jì)算方法，且相對(duì)誤差可以降低5.6%左右，精度提升效果較為明顯。