不同水位驟降速度下的混合堤防邊坡穩定性分析

2018-12-04 07:59:52王理想劉發智

水利科學與寒區工程 2018年11期

韓雷，王理想，劉發智

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江哈爾濱 150080)

2013年黑龍江流域發生較大洪水災害，由此而發生的堤防潰堤造成了廣大人民群眾的生命和財產損失。在洪水過后黑龍江省水利科學研究院研究團隊現場踏勘部分潰堤斷面，在收集資料基礎上提出了因潰堤而引起的水位驟降對堤防邊坡穩定性影響的相關問題。

趙宇坤等[1]在對黃河流域下游堤防的洪水浸泡和水位驟降的邊坡抗滑穩定性研究中，得出了不同降速下穩定性系數和評價結論，但是黃河流域下游以黏性土為主，對由砂性土和黏性土混合填筑為主的堤防沒有研究。劉新喜等[2]和鄭穎人等[3]主要對水庫水位驟降對庫區邊坡的穩定性進行了研究。國內外對水位驟降對堤防邊坡穩定性的影響研究較少。本文在前人研究基礎上，對黑龍江流域混合堤防因水位驟降而引起的滲流穩定性和抗滑穩定性問題進行研究，提出抗滑穩定性系數和水位驟降速度的關系，為黑龍江流域堤防建設提供參考。

1 水位驟降的定義

由國內外學者相關研究[4-5]和《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)中對堤防工程水位驟降的定義，K/uv<1/10作為水位驟降判斷的標準，其中K為滲透系數，u為給水度，v為水位降速。換算為水位下降速度為v>10K/u發生驟降，粉土滲透系數K=0.000 25 cm/s，給水度u=0.045，則水位降速大于0.05 cm/s時可定義為混合堤防水位驟降。研究采用三種不同驟降速度來模擬典型堤防洪水浸泡30 d后水位驟降滲流穩定性，三種降速分別為：0.05 cm/s，0.10 cm/s和0.15 cm/s。現以0.05 cm/s為例計算洪水長期浸泡工況下的水位驟降，其他兩種工況計算結果在文中不再贅述。

2 典型混合堤防斷面選取和土層物理力學參數

研究團隊對黑龍江流域堤防工程地質情況進行了資料調研，發現工程治理前黑龍江流域混合堤很多，治理工程中很多堤防對堤身進行加高培厚，加高培厚土料中砂性土占了很大比例。根據調研選取黑龍江流域某堤段為研究對象，該典型段長度較長且2013年特大洪水時為險工弱段，附近堤防出現過滲流、決堤等險情。地質分層老堤為低液限粉土+低(高)液限黏土+細砂，加高培厚為粉土質砂，透水性強。該典型堤段土層物理力學性質如表1所示。

表1 典型堤防斷面土層物理力學參數

選取典型斷面并建立有限元計算模型(見圖1)，共1737個單元，1835個節點。典型斷面經過30 d長期浸泡后，水位由56.4 m快速下降到坡底，下降高度2.0 m。細礫層以下為不透水層，各層由上到下分別為細砂、黏性土和細礫。

圖1 典型斷面和有限元計算模型

3 典型堤防斷面滲流穩定性

利用飽和-非飽和理論，采用SEEP/W計算軟件對典型斷面水位驟降下滲流穩定性進行計算。初始浸潤線如圖2所示，迎水側水位56.4 m，堤后水流出逸點位于堤腳處。根據該斷面的土工試驗分層統計，各層土的物理性質如表2所示。計算出各層土的臨界水力坡降，若安全系數取2，則各層土的允許水力坡降計算結果見表3。

圖2 典型斷面初始滲流場的流速矢量圖與浸潤線(長期浸泡)

表2 各層土的物理性質

表3 堤身堤基土的允許水力坡降值

圖3 典型斷面水位驟降下滲流場的xy比降圖

圖3為典型斷面滲流場的xy比降圖，在圖中可以看出，比降變化集中發生在迎水側坡腳處，比降最大值為1.00，坡降黏土層大部分區域比降為0.60，大于黏土層發生流土的允許坡降0.47，黏土層有向細礫層發生流土的可能性。各層土計算滲透坡降分別為：粉細砂層水流出逸點位置坡降為0.20，小于允許坡降0.45，發生流土的可能性不大。細礫層計算滲透坡降小于0.20，遠遠小于允許坡降，不會發生流土和管涌。

4 不同降速下抗滑穩定性分析

對典型斷面不同降速下堤防邊坡抗滑穩定性進行研究，這里只繪制0.05 cm/s時降速的計算結果。圖4為水位驟降后不同時刻堤防浸潤線位置圖，從圖中可以看出，在水位驟降后浸潤線快速下降，24 h后堤防浸潤線基本穩定。水位驟降下對迎水坡邊坡的不利影響明顯大于背水坡，所以計算邊坡抗滑穩定性系數時只計算迎水坡邊坡的抗滑穩定性。