張慶海，武立華，周利軍，趙 健

(1.綏化學(xué)院 農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152000；2.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

岸坡與一般邊坡有所不同，一方面坡體受到河水浸泡，使坡體內(nèi)部地下水位隨著河水的漲落而不斷發(fā)生變化，從而其內(nèi)部滲流場(chǎng)也會(huì)隨之發(fā)生變化；另一方面，坡體還不斷承受水流、波浪的沖擊和沖刷，其形態(tài)也在不斷的發(fā)生著變化，坡體在水流動(dòng)力作用下坡腳會(huì)不斷地垂直下切，同時(shí)坡面橫向展寬。對(duì)于天然的土質(zhì)河岸，水流沖刷使坡體下部的土體被水流挾走而越來越少，下部出現(xiàn)臨空帶，岸坡變陡、岸高增加，從而導(dǎo)致岸坡坍塌，坍塌后的土體在岸坡前淤積，水流又開始新的沖刷，淤積物被水流沖走，又開始新的崩塌和沖刷[1-3]。岸坡沖刷破壞時(shí)需要考慮因素有很多，并且岸坡發(fā)生沖刷破壞時(shí)的剖面也千差萬別[4]。國內(nèi)外對(duì)于水流沖刷力、岸坡抗沖力、沖刷模型以及岸坡在沖刷作用下穩(wěn)定性的研究均取得一定的進(jìn)展，但是仍然還有很多的問題存在?，F(xiàn)有的沖刷模型及沖刷作用下岸坡穩(wěn)定性的分析仍有很多局限性，并不能真切實(shí)際地反映岸坡在沖刷作用下的真實(shí)變形及破壞形式，因此，如何將水流的沖刷與岸坡的穩(wěn)定性徹底的結(jié)合到一起進(jìn)行分析，以及綜合的考慮水流沖刷力、滲透力與岸坡的自重應(yīng)力的耦合應(yīng)力場(chǎng)的分析，將是今后滲流作用下岸坡穩(wěn)定性分析的重點(diǎn)。

1 水流沖刷岸坡坡段概況

本文分析坡段為松浦大橋附近阿勒錦島，位于哈爾濱松花江江心，標(biāo)高為116.74m，南北與哈爾濱市區(qū)相望，哈佳鐵路橋與公路橋跨越島嶼的東部，西部隔賓洲鐵路橋與哈爾濱著名旅游景點(diǎn)太陽島相望[5]。阿勒錦島岸坡坡體的地質(zhì)資料參考周邊建筑勘察報(bào)告，通過對(duì)周邊建筑勘察報(bào)告的分析，借鑒其地層勘測(cè)資料，可將岸坡土體劃分為可塑粉土夾細(xì)砂層、細(xì)砂夾很薄的粉質(zhì)粘土層和含粗礫河床中砂層。各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 有限元模型的參數(shù)與工況設(shè)定

2.1 有限元模型參數(shù)設(shè)定

本文采用Abaqus有限元數(shù)值分析軟件來建立水位升降變化下的岸坡準(zhǔn)三維有限元模型，河床的寬度取15m，高取15m，沿著水流方向岸坡的長度取25m[6]。模型中采用Gravity Load載荷類型來定義岸坡的重力荷載，當(dāng)選用此方式定義重力時(shí)，Abaqus/Standard是基于總孔壓來進(jìn)行滲流分析的，需要定義初始孔隙壓力。在inp文件中進(jìn)行設(shè)定：*Initial Conditions, Type =Pore Pressure；將枯水位時(shí)的應(yīng)力位移狀態(tài)作為后續(xù)分析的初始狀態(tài)，保存為.txt格式。后續(xù)分析中通過在Inp中定義語句來調(diào)用初始應(yīng)力狀態(tài)。

*Initial Conditions, Type=Stress, Input=xxx.txt。通過采用Soils分析中的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)分析來實(shí)現(xiàn)模型上升后穩(wěn)定水位或者水位升降變化的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)滲流分析。模型網(wǎng)格的劃分采用六面體方式，如圖1所示，在滲流的分析中需要單元具備孔壓自由度，所以單元類型定義為C3D8P八節(jié)點(diǎn)六面體單元，三向線性孔隙壓力。劃分比例為1.5，共7565個(gè)單元。在模擬分析過程中底面固定約束，并約束岸坡和河床側(cè)面相應(yīng)的水平位移。

圖1 岸坡有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分型

2.2 有限元模型工況設(shè)定

根據(jù)歷年松花江水位的變化情況，選定了兩種工況進(jìn)行計(jì)算：①工況1，水位112m時(shí)；②工況2，水位115m時(shí)。分別對(duì)應(yīng)于圖2里的水位1、水位2。計(jì)算中各級(jí)水位所采用的流量為：672.8m3/s(水位1)，1303.7m3/s(水位2)；水的密度為1000kg/m3。工況分析步驟如下：

圖2 計(jì)算剖面簡圖

(1) 對(duì)無水流情況下的河床及坡體進(jìn)行自重應(yīng)力作用下的初始地應(yīng)力分析，將自重應(yīng)力場(chǎng)作為本次分析的初始應(yīng)力場(chǎng)；

(2) 水位為2m時(shí)的滲流應(yīng)力耦合分析(工況1)：

step1：將(1)的計(jì)算結(jié)果作為初始應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)行地應(yīng)力平衡；

step2：枯水位下的滲流應(yīng)力耦合分析。

(3) 水位上漲至5m后的滲流應(yīng)力計(jì)算(工況2)：

step1：將(2)的計(jì)算結(jié)果作為初始應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)行地應(yīng)力平衡；

step2：水位上漲至5m后的滲流應(yīng)力分析。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 河床及岸坡的自重應(yīng)力場(chǎng)分析

無水流作用下岸坡的自重應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果如圖3所示。自重應(yīng)力場(chǎng)作用下的岸坡變形場(chǎng)、自重作用下的岸坡位移場(chǎng)如圖4所示。從圖4(a)可以看出，岸坡的最大負(fù)(以圖示x軸指向?yàn)檎?水平位移出現(xiàn)在岸坡與河床的中下部。從圖4(b)可以看出，自重應(yīng)力作用下岸坡的沉降在坡頂出現(xiàn)最大的沉降，沉降深度約為5.681cm。

圖3 自重應(yīng)力場(chǎng)(單位KPa)

(a)自重應(yīng)力作用下的水平位移

(b)自重作用下的沉降分布圖圖4 自重作用下的位移場(chǎng)(單位：m)

3.2 不同水位下水流沖刷作用對(duì)岸坡滲流的影響

圖5、圖6分別反映了兩種工況下岸坡的滲流流速的分布情況。從以上不同工況下的滲流流速等值線分布圖可以看出：

(1) 無論在不同水位條件下還是是否考慮水流的沖刷作用下，岸坡的最大滲透流速均位于坡腳；說明無論在什么情況下，坡腳處都是受滲流的影響最大以及最易出現(xiàn)滲透破壞的位置；

(2) 隨著水位的升高，坡腳及坡體內(nèi)的滲透流速逐漸減小，這與隨著水位升高坡內(nèi)外的水位高差逐漸減小有關(guān)，與達(dá)西定律等描述的相符，即水頭梯度越大，滲透流速越大，發(fā)生滲透破壞的可能性越大；

(3) 對(duì)比圖5與圖6的(a)(b)兩圖可以發(fā)現(xiàn)，考慮沖刷作用時(shí)與不考慮沖刷作用時(shí)的滲流流速分布基本一致，但是在考慮沖刷作用時(shí)，滲透流速略有增大，說明水流的沖刷作用增大了坡腳發(fā)生滲透破壞的可能性。如圖，不考慮沖刷作用時(shí)，坡腳的最大滲流流速為8.038×10-5m/s，而考慮沖刷作用時(shí)為8.576×10-5m/s。

(a)不考慮沖刷作用時(shí)

(b)考慮沖刷作用時(shí)圖5 滲流流速等值線分布圖(工況1，單位：m/s)

(a)不考慮沖刷作用時(shí)

(b)考慮沖刷作用時(shí)圖6 滲流流速等值線分布圖(工況2，單位：m/s)

3.3 不同水位下水流沖刷作用對(duì)岸坡位移場(chǎng)的影響

圖7、圖8反映工況1下岸坡在水流沖刷作用下位移場(chǎng)的分布情況。

(a)水平位移

(b)豎向位移圖7 不考慮沖刷作用下的位移云圖(工況1，單位：m)

(a)水平位移

(b)豎向位移圖8 考慮沖刷作用下的位移云圖(工況1，單位：m)

圖9、圖10分別反映工況2下岸坡在水流沖刷作用下位移場(chǎng)的分布情況。

(a)水平位移

(b)豎向位移圖9 不考慮沖刷作用下的位移云圖(工況2，單位：m)

(a)水平位移

(b)豎向位移圖10 考慮沖刷作用下的位移云圖(工況2，單位：m)

從以上位移云圖分析可得：

(1) 圖7(a)與圖9(a)對(duì)比可得，隨著水位的逐漸升高，岸坡的最大負(fù)向水平位移逐漸的向坡腳處移動(dòng)，負(fù)向水平位移對(duì)岸坡的整體穩(wěn)定不利，負(fù)向水平位移的增大，很有可能會(huì)使坡腳處發(fā)生局部滑動(dòng)破壞，從而導(dǎo)致岸坡的整體失穩(wěn)，說明隨著水位的不斷升高，坡腳處是受影響最大及最容易發(fā)生滑動(dòng)破壞的位置。

(2) 從以上四圖的(a)圖對(duì)比可得，在不同水位下，水流的沖刷力均提高了岸坡的負(fù)向水平位移，說明水流的沖刷力增大，增加了岸坡失穩(wěn)、發(fā)生滑動(dòng)破壞的可能性。

(3) 對(duì)比圖7(b)和9(b)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著水位的升高，岸坡整體的豎向沉降增大，并且發(fā)生最大沉降的位置均位于坡頂處。

(4) 對(duì)比上述四圖的(b)圖發(fā)現(xiàn)，水流的沖刷作用增大了岸坡的整體豎向沉降。

為了能夠更明確的反映水流的沖刷作用對(duì)在不同水位時(shí)的岸坡滲流場(chǎng)及位移場(chǎng)的影響，現(xiàn)追蹤坡腳處一點(diǎn)A的滲流及位移變化，如圖10(b)中所示，將點(diǎn)A處在不同水位下的滲流及位移分析結(jié)果總價(jià)歸納如表2所示。

表2 追蹤點(diǎn)A計(jì)算分析結(jié)果

通過對(duì)表2中A點(diǎn)的計(jì)算分析結(jié)果可以看出來，在不同水位下，水流的沖刷作用均使A點(diǎn)處的滲流流速增大了；在水位2m與5m時(shí)，沖刷作用使得A點(diǎn)的滲流流速增加幅度分別為：6.69%和16.95%，可見，隨著水位的升高，水流的沖刷作用對(duì)坡腳處的影響作用在不斷的提高。從表2中還可以看出，水流的沖刷作用對(duì)A點(diǎn)的水平和豎向位移均有一定的作用，為了能夠更加清晰的反映出水流沖刷對(duì)岸坡位移場(chǎng)作用的規(guī)律，現(xiàn)將A點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果以圖形的形式表示出來，如圖11所示。從圖11可以看出，隨著水位的上升，坡腳處A點(diǎn)的負(fù)方向水平位移逐漸的增大，岸坡的穩(wěn)定性逐漸的降低，并且隨著水位的升高，水流沖刷作用對(duì)坡腳處A點(diǎn)水平位移的影響越來越大，坡腳處點(diǎn)A的水平位移增加的幅度也越來越大，水位2m時(shí)，沖刷作用下水平位移增加幅度為19.41%，當(dāng)水位為5m時(shí)，增加幅度為33.51%。

圖11 不同水位條件下A點(diǎn)的位移計(jì)算結(jié)果

從以上的分析可知，水流的沖刷作用對(duì)坡腳處的局部滲流場(chǎng)和位移場(chǎng)具有較大的影響，從而對(duì)岸坡的穩(wěn)定性造成不利的影響，并且該影響隨著水位的升高而逐漸的增加。

4 結(jié)論

基于Abaqus有限元數(shù)值分析軟件，建立了綜合考慮滲透力、自重應(yīng)力以及水流沖刷力的阿勒錦島岸坡分析模型，對(duì)其進(jìn)行了水流沖刷作用下滲流場(chǎng)的變化情況的分析，分析結(jié)果匯總?cè)缦隆?/p>

(1) 在無水流作用時(shí)，岸坡的豎向沉降從坡頂?shù)胶哟渤手饾u減小的趨勢(shì)；最大的沉降位置位于坡頂處，最大負(fù)方向水平位移出現(xiàn)在岸坡的中下部，最大正方向位移出現(xiàn)在坡頂處。

(2) 無論是否考慮水流的沖刷作用，岸坡的最大滲流流速均位于坡腳，說明坡腳位置是受滲流影響最大且最容易發(fā)生滲透破壞的位置；坡腳處的滲流流速隨著水位的升高而逐漸的減小。

(3) 考慮水流的沖刷作用時(shí)，坡腳處的滲流流速有所增大，說明沖刷作用提高了坡腳處發(fā)生滲透破壞的可能性；岸坡的豎向位移相對(duì)于水平位移來說，改變的不明顯，而不利于岸坡穩(wěn)定的最大負(fù)方向水平位移在水流的沖刷作用下卻明顯增加了，說明水流的沖刷作用提高了岸坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性。

(4) 不考慮水流的沖刷作用時(shí)，隨著水位的升高，岸坡水平位移和豎向位移均有不同程度的增加，但水平位移增加的相對(duì)較為明顯，并且隨著水位升高，不利于岸坡穩(wěn)定的最大負(fù)方向水平位移逐漸的向坡腳處移動(dòng)，說明水位的升高對(duì)阿勒錦洲岸坡的穩(wěn)定有較大的影響。