水位升降速率對(duì)河堤邊坡穩(wěn)定性影響及其機(jī)理探討

(安徽省水文局淠史杭蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站，安徽 六安　237011)

中國(guó)幅員遼闊，水系發(fā)達(dá)，河流遍布大江南北，而河道的沖刷，形成了一種特殊的地貌結(jié)構(gòu)——河堤邊坡。河堤邊坡作為邊坡形式中的一種，與鐵路、道路邊坡較為不同的是其受水位周期性變化的影響。河道水位升降的變化，會(huì)造成坡內(nèi)外孔隙水壓力的不平衡，而水位升降速率是影響其內(nèi)外壓力差大小的關(guān)鍵因素。因此，研究水位升降對(duì)河堤邊坡穩(wěn)定性影響對(duì)河堤設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，約60%的壩坡失穩(wěn)發(fā)生于水位驟降時(shí)期[1]，眾多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了研究，分析了水位下降速率、非飽和區(qū)域基質(zhì)吸力、滲透系數(shù)等因素對(duì)于岸坡穩(wěn)定的影響。王志旺等[2]對(duì)影響壩體邊坡穩(wěn)定的各因素敏感性進(jìn)行分析，并結(jié)合計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)壩體穩(wěn)定性進(jìn)行研究。柳群義[3]基于有限元數(shù)值模擬，探討了庫(kù)水位升降以及升降速率對(duì)庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性的影響。羅紅明等[4]通過(guò)對(duì)不同上升和下降速率的庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行有限元計(jì)算，探討了庫(kù)水位變化對(duì)庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性的影響。張少琴等[5]采用摩根史坦利法分析了三峽庫(kù)區(qū)不同庫(kù)水位升降速率對(duì)其庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性影響。

綜上，有關(guān)水位升降速率對(duì)壩坡穩(wěn)定以及庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性影響研究較多，而水位升降速率對(duì)河堤邊坡穩(wěn)定性影響尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。本文基于有限元計(jì)算，采用強(qiáng)度折減法分析了不同水位升降速率下(0.05m/d、0.1m/d、0.2m/d、0.3m/d、0.4m/d和0.5m/d)，水位由5.00m降至3.00m以及由3.00m升高至5.00m時(shí)岸坡安全系數(shù)，定量分析水位升降速率對(duì)河提岸坡穩(wěn)定性影響。

1　計(jì)算模型及參數(shù)

1.1　計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)際地形選取典型岸坡剖面：坡高8m，坡比1:2的岸坡作為分析對(duì)象。模型的幾何形狀根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究成果，且在考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間消耗兩者的平衡后，確定幾何尺寸為坡腳到左邊界的距離取坡高的1.5倍，即12m，坡頂?shù)接疫吔缇嚯x取坡高的2.5倍，即20m，上下邊界的距離取為坡高2.5倍，即20m。岸坡尺寸示意圖如圖1所示，在網(wǎng)格劃分方面，綜合考量計(jì)算精度和時(shí)耗后，計(jì)算模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1　岸坡尺寸示意圖

圖2　計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

1.2　計(jì)算參數(shù)

計(jì)算所用巖土力學(xué)參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告、室內(nèi)試驗(yàn)、反算分析及結(jié)合經(jīng)驗(yàn)綜合確定，巖土力學(xué)參數(shù)及滲透系數(shù)見(jiàn)表1。考慮到浸潤(rùn)面以上非飽和土中的滲流，結(jié)合試驗(yàn)資料可得土體含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線、滲透系數(shù)折減系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線，如圖3和圖4所示。

表1　土體的主要物理力學(xué)指標(biāo)

圖3　土體含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線

圖4　滲透系數(shù)折減系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線

1.3　計(jì)算工況

結(jié)合河道水位特點(diǎn)，水位升降幅度相同(由5m下降到3m，或者由3m升至5m)，水位升降速率分別為0.1m/d、0.2m/d、0.4m/d、0.8m/d和1.6m/d，升降歷時(shí)分別為20d、10d、5d、2.5d和1.25d。

1.4　計(jì)算方法

在基于有限元法對(duì)岸坡穩(wěn)定的分析中，基本采用強(qiáng)度折減法，對(duì)土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減。強(qiáng)度折減法的基本原理是將巖土體材料的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角tanφ值(一般情況)，通過(guò)同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)R進(jìn)行折減，從而得到一組新的黏聚力c′和內(nèi)摩擦角tanφ′值，見(jiàn)式(1)和式(2)，并將折減后的參數(shù)重新輸入進(jìn)行計(jì)算，如此不斷重復(fù)，當(dāng)計(jì)算不收斂時(shí)，對(duì)應(yīng)的R即為其穩(wěn)定系數(shù)，即Fs=R。

(1)

(2)

強(qiáng)度折減法的一個(gè)重要問(wèn)題是破壞判據(jù)的確定。目前基于強(qiáng)度折減法的數(shù)值方法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。一般，強(qiáng)度折減法分析巖土體穩(wěn)定性的判據(jù)有以下3種：?以數(shù)值計(jì)算不收斂作為判據(jù)；?以滑面上塑性區(qū)貫通作為判據(jù)；?以特征部位的位移產(chǎn)生突變作為判據(jù)。本文以不平衡力發(fā)展是否收斂作為破壞判據(jù)依據(jù)。

2　計(jì)算結(jié)果分析

2.1　水位驟降工況

河道水位從5.00m下降到3.00m，進(jìn)行不同水位下降速率條件下的岸坡穩(wěn)定性計(jì)算，穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表2。可知，隨水位下降速率增大，岸坡安全系數(shù)逐漸減小，水位下降速率為0.1m/d時(shí)，其與5.00m靜水位相比安全系數(shù)降低了3.3%，水位下降速率為1.6m/d時(shí)，與5.00m靜水位相比安全系數(shù)降低了27.2%。說(shuō)明水位下降速率越大，岸坡越不穩(wěn)定。

表2　岸坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖5　最大主應(yīng)力云圖

圖5分別為靜水位5.00m與水位驟降至3.00m的最大主應(yīng)力分布云圖，可以看出，在岸坡表面淺層位置，圖(b)與圖(a)相比，最大主應(yīng)力值明顯減小，說(shuō)明水位下降產(chǎn)生了朝向坡外的應(yīng)力，使得最大主應(yīng)力值減小，不利于岸坡穩(wěn)定。在水位下降前，岸坡內(nèi)外水壓處于平衡狀態(tài)，水位的下降，使得坡外水壓力減小，而坡體內(nèi)的水壓減小則相對(duì)滯后，形成由坡內(nèi)指向坡外的壓力差，增大坡體下滑力，不利于岸坡的穩(wěn)定，使得岸坡穩(wěn)定性降低，穩(wěn)定系數(shù)有所減小，因此與3.00m時(shí)靜水位的穩(wěn)定系數(shù)相比，水位下降之后相同水位的岸坡穩(wěn)定系數(shù)明顯減小，水位下降越快則減小越明顯。而且水位下降越快，坡體內(nèi)水壓的下降滯后越明顯，壓力差越大，穩(wěn)定系數(shù)越低，因此穩(wěn)定系數(shù)隨下降時(shí)長(zhǎng)減小而降低。

2.2　水位驟升工況

河道水位從3.00m上升到5.00m，進(jìn)行不同水位上升速率工況下岸坡的穩(wěn)定性計(jì)算，穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表3。可知，隨著水位上升速率增大，岸坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大，水位上升速率為0.1m/d時(shí)，其與3.00m靜水位相比安全系數(shù)增大了1.2%。說(shuō)明水位上升速率越大，岸坡越穩(wěn)定。

表3　岸坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖6　最大主應(yīng)力云圖

圖6為靜水位3.00m與水位驟升至5.00m的最大主應(yīng)力分布云圖，可知在岸坡表面淺層位置，圖(b)與圖(a)相比，最大主應(yīng)力值明顯增大，說(shuō)明水位上升產(chǎn)生了朝向坡內(nèi)的應(yīng)力，使得最大主應(yīng)力值增大，有利于岸坡穩(wěn)定。在水位上升前，岸坡內(nèi)外水壓處于平衡狀態(tài)，水位的上升，使得坡外水壓力增大，而坡體內(nèi)的水壓增大相對(duì)滯后，形成由坡外指向坡內(nèi)的壓力差，減小了坡體的下滑力，有利于坡體穩(wěn)定，因此與3.00m時(shí)靜水位的穩(wěn)定系數(shù)相比，水位上升之后的岸坡穩(wěn)定系數(shù)有所增加，水位上升越快則增加越明顯。而且水位上升越快，坡體內(nèi)水壓的上升滯后越明顯，壓力差越大，穩(wěn)定系數(shù)越高，因此穩(wěn)定系數(shù)隨上升速率增大而逐漸增大。

3　結(jié)　論

本文采用有限元對(duì)不同水位升降速率河堤邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同水位升降速率下河堤邊坡穩(wěn)定性。此外，基于不同水位升降速率下邊坡應(yīng)力分布，初步探討了水位升降速率對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的機(jī)理。主要結(jié)論如下：

a.水位下降時(shí)，由于坡體內(nèi)外水壓力差引起的下滑力是導(dǎo)致河堤邊坡趨于不穩(wěn)定的主要因素；水位下降速率越快，坡體下滑力越大，河堤邊坡越不穩(wěn)定。

b.水位上升時(shí)，垂直坡面向里的滲透力以及坡面的水壓力是增強(qiáng)河堤邊坡穩(wěn)定性的主要因素；隨水位上升速率增大，河堤邊坡更加穩(wěn)定。

[1]廖紅建,盛謙,高石夯,等.庫(kù)水位下降對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(19):3454-3458.

[2]王志旺,楊健,張保軍,等.水庫(kù)庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性研究[J].巖土力學(xué),2004,25(11):1837-1840.

[3]柳群義,朱自強(qiáng),何現(xiàn)啟,等.水位漲落對(duì)庫(kù)岸滑坡孔隙水壓力影響的非飽和滲流分析[J].巖土力學(xué),2008,29(增刊):85-89.

[4]羅紅明,唐輝明,章廣成,等.庫(kù)水位漲落對(duì)庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性的影響[J].地球科學(xué),2008,33(5):687-692.

[5]明華,晏鄂川.水庫(kù)蓄水對(duì)庫(kù)岸滑坡的影響研究[J].巖土力學(xué),2007,28(12):2722-2725.