蘇本樂(lè)，趙允林

(潘集淮河河道管理局，安徽 淮南 232082)

0 引 言

水位波動(dòng)是影響河道岸堤邊坡穩(wěn)定性最常見(jiàn)的影響因素之一。通常，受極端天氣、潮汐、灌溉水道調(diào)節(jié)和水電站蓄水等影響，河水水位會(huì)出現(xiàn)大幅度變化，而導(dǎo)致邊坡垮塌和河岸受侵蝕。當(dāng)漂浮物到達(dá)水電站時(shí)，會(huì)對(duì)建筑產(chǎn)生不利的荷載和增加溢洪道堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究河道岸堤邊坡穩(wěn)定性對(duì)大壩的安全運(yùn)行十分必要。

目前，國(guó)內(nèi)外通常采用數(shù)值模擬的方法來(lái)分析邊坡的穩(wěn)定性，其常用的數(shù)值理論包括有限元法[1]、有限差分法[2]、離散元法[3]等。葉雨柯等[4]基于昌波水電站工程，選取地下廠房區(qū)含垂向結(jié)構(gòu)面邊坡的典型剖面，建立二維等效連續(xù)介質(zhì)有限元模型，利用飽和-非飽和滲流分析理論研究不同降雨強(qiáng)度下含垂向結(jié)構(gòu)面邊坡的飽和區(qū)擴(kuò)散范圍及水壓力分布變化；涂小兵等[5]借助GeoStudio中SLOPE/W模塊和SEEP/W模塊進(jìn)行邊坡滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析, 模擬在施工期、運(yùn)行期各種水位組合及降雨、地震工況下滲流作用對(duì)堤防穩(wěn)定性的影響；郭釗等[6]運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行降雨條件下三維邊坡應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的耦合分析, 研究了邊坡土體滲流場(chǎng)變化規(guī)律并對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)；肖景紅等[7]針對(duì)含優(yōu)勢(shì)滲流層邊坡降雨入滲下的可靠度問(wèn)題, 通過(guò)將應(yīng)力分析中的點(diǎn)估計(jì)-有限元法引入到邊坡滲流穩(wěn)定性分析, 提出了考慮優(yōu)勢(shì)滲流層滲透特性不確定性的滲流概率分析和邊坡可靠度分析方法；戚海棠等[8]基于滑坡地下水滲透力分布與應(yīng)力-應(yīng)變分析相結(jié)合的數(shù)值分析方法,考慮到砂土與黏土土質(zhì)及各向異性程度kr及α的影響,利用Geostudio中SIGMA/W與SLOPE/W模塊對(duì)三峽庫(kù)區(qū)蔡坡堆積體庫(kù)水位下降的滲流、變形及穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析。

本文以某河道工程為例，通過(guò)ABAQUS建立二維河道邊坡模型，采用有限元強(qiáng)度折減法，分析不同河水水位下邊坡的滑動(dòng)面變化和安全系數(shù)演化，提出相應(yīng)的邊坡加固措施，以期為相關(guān)工程提供參考。

1 有限元強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法最早由Zienkiewicz教授提出，其含義是在外部條件不變的情況下，邊坡內(nèi)部的最大抗剪強(qiáng)度與真實(shí)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力之間的比值。在現(xiàn)實(shí)工程中，當(dāng)邊坡發(fā)生破壞時(shí)，上述兩個(gè)數(shù)值相等。這種抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)與邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)Fs的含義相同，并與極限平衡法中的穩(wěn)定性安全系數(shù)概念相似。強(qiáng)度折減法的參數(shù)表達(dá)式為：

(1)

φm=tan-1(tanφ/Fr)

(2)

式中：c和φ為材料所能夠提供的最大黏聚力和內(nèi)摩擦角;cm和φm為材料實(shí)際發(fā)揮的黏聚力和內(nèi)摩擦角；Fr為折減系數(shù)。

2 非飽和流固耦合理論

河水位升降是典型的非飽和流固耦合現(xiàn)象，根據(jù)非飽和土流固耦合理論，材料滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力可采用如下關(guān)系式：

Kw=awKws/[aw+(bw·x(ua-uw))cw]

(3)

式中：Kws為土體飽和時(shí)的滲透系數(shù)；ua和uw為氣壓和水壓力；其余參數(shù)為材料參數(shù)。

而飽和度與基質(zhì)吸力關(guān)系為：

Sr=Si+(Sn-Si)as/[as+(bs·x(ua-uw))cs]

(4)

式中：Sr為飽和度；Si為殘余飽和度；Sn為最大飽和度；其余為材料參數(shù)。

3 模型建立與計(jì)算參數(shù)

本次建立河道邊坡模型位于某河道工程，為黏土質(zhì)邊坡，灰黃色、灰白色及灰褐色，飽和，可塑，中等壓縮性。切面稍有光澤，捻面較光滑，搖震無(wú)反應(yīng)，韌性及干強(qiáng)度中等。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試，其黏土層主要組成部分為黏土礦物，包括有蒙脫石、伊利石等，碎屑礦物主要有石英與長(zhǎng)石；其次含有少量方解石。通過(guò)對(duì)土樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定，測(cè)得其含水率20%，塑限含水率25%，液限含水率50%，塑性與液性指數(shù)分別為26和0.28。圖1為本次數(shù)值分析模型。圖1中，粉質(zhì)黏土層1厚4 m，粉質(zhì)黏土層2厚1.7 m，粉質(zhì)黏土層3厚4.8 m，細(xì)沙層厚1.5 m。整個(gè)邊坡長(zhǎng)24.8 m。本文考慮極端天氣的降雨下，水位上漲至粉質(zhì)黏土1與粉質(zhì)黏土2的交界處，此時(shí)水深8 m；之后按照每級(jí)1 m往下消退，直至水位降至離坡底1 m，來(lái)分析邊坡穩(wěn)定性。表1為本次的計(jì)算參數(shù)。

圖1 邊坡數(shù)值計(jì)算模型

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

4 水位消落深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

圖2為不同水位深度下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。由圖2可知，隨著水位的下降，邊坡的滑動(dòng)面出現(xiàn)了不同程度的移動(dòng)。當(dāng)水位由8 m降低至7 m時(shí)，滑動(dòng)面上端貫通面出現(xiàn)明顯左移，而下端剪出口在平臺(tái)區(qū)域出現(xiàn)向右移動(dòng)的現(xiàn)象；總體上來(lái)看，可以認(rèn)為初次水位消落會(huì)增大滑坡的體積，但同時(shí)也增大了安全系數(shù)。之后，當(dāng)水位繼續(xù)降低，邊坡滑面的變化規(guī)律性不強(qiáng)，可能與邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的消散速度有一定關(guān)系。為了清晰地觀察水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，將不同水位下降深度對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)給出，見(jiàn)表2。由表2可知，隨著水位的下降，邊坡的安全系數(shù)逐漸增大，穩(wěn)定性不斷提升。當(dāng)水位深8 m時(shí)，安全系數(shù)為1.55；而當(dāng)水位下降至1 m時(shí)，安全系數(shù)為2.19，增大41.87%。

圖2 不同水位深度下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表2 不同水位深度邊坡安全系數(shù)

河水水位越高，安全系數(shù)越低，這是由于水流滲進(jìn)土體，使土體的密度增加，抗剪強(qiáng)度降低。其次水在滲流過(guò)程中會(huì)對(duì)土體顆粒施加一個(gè)動(dòng)水壓力，是一個(gè)體積力，其大小與流動(dòng)水的體積、水的容重和水力梯度有關(guān)，其方向與水流的方向一致。結(jié)構(gòu)面的填充物在水的浮力作用下，重量降低，動(dòng)水壓力稍大時(shí)，就會(huì)帶走結(jié)構(gòu)面中的填充物顆粒，降低了邊坡的穩(wěn)定性。由于水流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響非常大，所以邊坡工程對(duì)水流的防治是邊坡穩(wěn)定的重要方面。圖3給出了邊坡安全系數(shù)隨水位深度的擬合公式。

圖3 邊坡安全系數(shù)與水位深度擬合公式

5 邊坡加固建議

本文為河道路基邊坡，根據(jù)其破壞特點(diǎn)，可以考慮以下幾種邊坡加固方案：①植物護(hù)坡：通過(guò)人工培植邊坡植被覆蓋表土以防止雨水沖刷，植被的根系也可加固邊坡的表層土體，調(diào)節(jié)土壤濕度以防止表土干裂及剝落的措施，包括植草、鋪草皮和種樹(shù)等，可以同時(shí)起到改善環(huán)境的作用。在開(kāi)挖邊坡臺(tái)階設(shè)置截水天溝，以截?cái)嚅_(kāi)挖邊坡上部地表徑流，保護(hù)坡面和坡腳不受水流沖刷。②設(shè)置排水溝：天溝的斷面形式、斷面尺寸根據(jù)各坡面集雨面積估算，通過(guò)覆蓋層地段的截水天溝以漿砌片石材料為主。截水溝的平、縱轉(zhuǎn)角處設(shè)置曲線連接，其溝底縱坡為0.5%，出水口與排水溝銜接，并通過(guò)在坡面設(shè)置縱橫向的消能跌槽和防沖刷措施以形成有效的排水系統(tǒng)。

6 結(jié) 論

本文以某河道工程為例，通過(guò)ABAQUS建立了二維河道邊坡模型，采用有限元強(qiáng)度折減法，分析了不同河水水位下邊坡的滑動(dòng)面變化和安全系數(shù)演化，結(jié)論如下：

1) 當(dāng)水位由8 m降低至7 m時(shí)，滑動(dòng)面上端貫通面出現(xiàn)了明顯左移，而下端剪出口在平臺(tái)區(qū)域出現(xiàn)向右移動(dòng)的現(xiàn)象。

2) 河水水位越高，安全系數(shù)越低。當(dāng)水位深8 m時(shí)，安全系數(shù)為1.55；而當(dāng)水位下降至1 m時(shí)，安全系數(shù)為2.19，增大41.87%。