基于物理模型的中小河流河道堤防工程地質參數試驗分析

孫彥彪

(遼寧瑞宸工程建設監理咨詢有限公司，遼寧 鐵嶺 112003)

0 前 言

當前，中小河流管理需要合理設置河堤工程地質參數，以提高中小河流在施工過程中的穩定性[1]。傳統方法主要使用數值模型仿真來計算工程地質參數[2]-[6]。該方法的優點在于，它可以為各種河流堤提供更精確的地質參數時空分布，但是操作起來更加復雜。需要建立河堤的數學模型[7]。近年來，許多區域已經使用物理模型測試了河堤的地質參數分析。這種方法的優點是它更適合實際工程項目，但缺點是需要更多的資金來完成[8]。近年來，通過野外觀察實驗確定河堤地質參數。這種方法比較容易，基本上可以滿足中小型河道工程的實際需要。它是通過測量許多地區河堤建設的地質參數而獲得的[9-14]。由于尚未應用到遼寧地區，因此結合物理模型和現場觀測來分析和優化遼寧地區中小河堤防工程的地質參數。研究結果對于確定中小型河流堤防工程治理和設計具有參考意義。

1 地質參數分析方法

物理模型水流流體，設定為多孔傳輸的介質，河道堤防的滲透系數采用達西定律進行計算：

(1)

該滲透系數物理模型簡化了傳統統達西計算定律的計算方程：

(2)

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

(3)

由方程：

(4)

水流阻力系數計算方程為：

(5)

式中：a和u分別為地質參數。非穩定滲透水流的計算方程為：

(6)

各方向滲透系數的參數為常數值，則方程可簡化為：

(7)

若按照同一個方向進行滲透，則方程為：

(8)

式中：Z為滲透水流計算參數值。

2 研究實例

2.1 物理模型概況

物理模型試驗由過度連接段、動床河段、穩水河段三個部分組成，總長為45m。驗河槽動水段和過渡連接河段分別為30m和5m，采用長度為20cm的粗砂段將過渡連接河段與動水河床段進行連接，物理模型試驗河段如圖1所示。

圖1 模式試驗河段平面布置圖

2.2 地質參數分析

采用物理模型放水試驗的方式對地質參數進行確定，首先結合原位觀測試驗方式對中小河流堤防施工不同試驗斷面的地質參數進行分析，如表1所示，結合各試驗河段的地質參數，分別進行15組物理模型方式試驗，對其穩滲參數進行確地，滲透系數確定結果如表2所示。

表1 各試驗河段地質參數

表2 地質穩滲系數分析結果

從試驗分析結果可看出，不同河段地質參數具有較為明顯的差異度，河道堤防地質參數受不同土層類型影響較大，此外各地質參數隨著土層厚度的增加，對于同一類型土層而言，其地質各項參數具有所遞增。對于相同土層厚度而言，粉質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。而對于內摩擦角而言，粉砂由于具有較低的黏聚力，使得其內摩擦角較大，而對于河道堤防工程而言，內摩擦角越大，越不利于河道堤防工程的穩定性。由于具有較高的黏聚力，素填土的內摩擦角較大，有利于河道堤防工程的穩定性。文章重點對河道堤防工程地質穩滲系數進行了分析，從穩滲分析結果可看出，試驗測定的穩滲系數和計算的穩滲系數之間的誤差較低，可滿足河道堤防工程設計的要求。一般而言，對于穩定系數較高的河道堤防試驗段其誤差相對較低，而對于穩定系數較低的河道堤防試驗段其誤差一般相對較高。

2.3 不同方法對比分析

結合15組放水試驗測定穩滲系數進行分析，分別對傳統方法和新方法下的穩滲系數進行對比分析，從而確定較為優化的河道堤防施工地質參數的方法，兩種方法對比結果如表3所示。

表3 兩種方法的穩滲系數對比結果

穩滲系數是中小河流堤防治理工程重要的一項地質參數，其對于河道堤防工程的穩定性十分重要。近些年來，對于穩定系數的獲取主要通過原位觀測試驗的方式進行，但這種方式很難得到不同地質類型下的穩定滲透系數，存在一定的局限性，為此文章采用物理模型并結合原位觀測兩種方式，提高了不同地質類型對其穩定系數的科學核定。從兩種方法計算的穩定滲透系數的精度結果可看出，相比于傳統只采用原位觀測試驗的方式，通過物理模型試驗方式可以實現不同河道堤防地質類型以及放水流量對其河道堤防穩定滲透系數的影響，且新方法下計算的穩定滲透系數的精度也明顯要好于傳統方法，采用新方法計算的穩定滲透系數的誤差均可在20%以內，相比于傳統穩定滲透系數的計算方法，且相對誤差可以降低5.6%左右，精度提升效果較為明顯。

3 結 論

1)對于同一類型土層而言，其地質各項參數具有所遞增。對于相同土層厚度而言，粉質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。而對于內摩擦角而言，粉砂由于具有較低的黏聚力，使得其內摩擦角較大，而對于河道堤防工程而言，內摩擦角越大，越不利于河道堤防工程的穩定性。

2)穩滲系數是中小河流堤防治理工程重要的一項地質參數,一般而言，對于穩定系數較高的河道堤防試驗段其誤差相對較低，而對于穩定系數較低的河道堤防試驗段其誤差一般相對較高。

3)采用新方法計算的穩定滲透系數的誤差均可在20%以內，相比于傳統穩定滲透系數的計算方法，且相對誤差可以降低5.6%左右，精度提升效果較為明顯。