劉 動(dòng)，陳曉平，黃井武

(1.暨南大學(xué)理工學(xué)院，廣東廣州 510632;2.暨南大學(xué)重大工程災(zāi)害與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510632;3.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510170)

人工堤防是約束河勢(shì)、防御洪水的重要屏障，其穩(wěn)定性取決于兩方面因素，一是堤防斷面的設(shè)計(jì)和堤身、堤基材料特性，另一是堤壩在各種荷載作用下的響應(yīng)，包括河流沖刷力、滲透壓力、自重壓力等，其中近岸水流對(duì)堤腳和堤岸的沖刷現(xiàn)象在我國(guó)25萬(wàn)km的各類堤防上十分普遍，由沖刷導(dǎo)致的堤壩穩(wěn)定方面的問(wèn)題也時(shí)有發(fā)生，特別是一些填筑質(zhì)量不高的堤防。另外，水流沖刷作用造成的河床下切及深槽迫堤情況也對(duì)堤防的穩(wěn)定構(gòu)成極大威脅。鑒于工程失穩(wěn)的嚴(yán)重后果，河流沖刷作用下的堤防穩(wěn)定性問(wèn)題一直受到政府和相應(yīng)技術(shù)部門的高度重視。

河流沖刷下堤岸穩(wěn)定狀態(tài)反映水與堤岸 (堤腳)結(jié)構(gòu)相互作用的過(guò)程和結(jié)果。對(duì)于人工堤岸，河流沖刷將造成堤腳幾何形狀的改變，并因此改變水流邊界條件;邊界條件的改變反過(guò)來(lái)影響河勢(shì)，進(jìn)而通過(guò)河勢(shì)的變化影響堤防，這種演變過(guò)程一直在平衡與不平衡之間延續(xù)，其力學(xué)過(guò)程涉及多學(xué)科知識(shí)，是研究中的難點(diǎn)。

本文選擇廣東北江西南鎮(zhèn)河段為研究對(duì)象，對(duì)沖刷作用下堤岸及河床幾何形狀改變進(jìn)行預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上提出了了平面水動(dòng)力學(xué)－土力學(xué)堤岸穩(wěn)定耦合分析方法，探討河流沖刷對(duì)堤岸穩(wěn)定性和變形的影響。

1 堤岸及河床演變與預(yù)測(cè)方法

沖刷作用下堤岸及河床變形演變的過(guò)程非常復(fù)雜，涉及的因素也是多樣的，但歸根到底是水流、沙和岸坡相互作用的結(jié)果。目前研究堤岸變形演變的方法主要有［1－3］:① 模型試驗(yàn)方法，此方法主要針對(duì)重大水利工程，由于水、沙相互作用的模擬非常復(fù)雜，要求投入成本較高，且需要較多人力和物力支持。②數(shù)學(xué)模型方法，利用數(shù)學(xué)方法建立模型，模擬水、沙和岸坡的作用過(guò)程，成本少、研究方便，但由于水、沙、邊界問(wèn)題的復(fù)雜性，數(shù)學(xué)求解較困難，無(wú)法預(yù)測(cè)沖刷過(guò)程的各種隨機(jī)因素，且對(duì)某些特殊的堤岸變形無(wú)法模擬和預(yù)測(cè)。③實(shí)測(cè)資料分析法，對(duì)于一般工程問(wèn)題，常利用此方法進(jìn)行定性的推理分析，利用已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)后期岸坡的演變。

堤岸變形演變是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其演變的實(shí)質(zhì)是水、沙和岸坡的相互作用，不斷調(diào)整的結(jié)果，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有的較強(qiáng)非線性映射能力、較高的容錯(cuò)性、較廣的適應(yīng)能力，都十分適合非線性問(wèn)題的研究，因此可以說(shuō)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來(lái)研究堤岸的演變和預(yù)測(cè)是非常合適的。本文利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)堤岸及河床變形進(jìn)行了定量的預(yù)測(cè)分析，得到河流沖刷后堤岸坡腳的幾何形態(tài)，作為探討河流沖刷作用下的堤岸穩(wěn)定性的重要前提。

1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的影響引子的分析

水流沖刷下堤岸及河床的變形主要取決于近岸水流的沖刷能力和堤岸的抗沖能力。水流的沖刷能力體現(xiàn)在沖刷作用對(duì)堤岸及河床的影響，堤岸沖刷根據(jù)控制條件分為沖積作用和非沖積作用，前者指水流直接沖刷和重力作用下的坍塌，后者指其他外界條件造成河岸土體被淘刷和強(qiáng)度減小造成的坍塌，天然條件下兩種作用同時(shí)控制著河岸的沖刷過(guò)程，其中水流的沖積作用是主要的控制因素［4］。水流的沖刷能力概括成對(duì)堤岸及河床的影響引子主要包括:上游來(lái)水量 (Q)，來(lái)水變化規(guī)律，上游輸沙量 (S)，輸入沙量的變化規(guī)律，及泥沙組成等因素。仔細(xì)分析上述因素，可以發(fā)現(xiàn)一般河流的沖刷和淤積過(guò)程多是由底沙輸送方式完成的，而來(lái)水變化規(guī)律和輸入沙量的變化規(guī)律只對(duì)懸沙沖刷淤泥現(xiàn)象明顯的河段有影響，因而來(lái)水來(lái)沙變化規(guī)律除特殊情況外對(duì)岸坡及河床的變形影響一般可忽略不計(jì)。另外，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)一般河道的泥沙組成每年是基本不變的，所以泥沙變化這一因素在研究岸坡及河床的沖刷淤泥時(shí)往往也忽略不計(jì)。由此可見(jiàn)水流的沖刷能力概括起來(lái)可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)影響引子，上游來(lái)水量 (Q)和上游輸沙量 (S)。堤岸的抗沖能力主要與河岸土體性質(zhì)、顆粒級(jí)配、粒間電化學(xué)作用、堤坡角度等因素有關(guān)，對(duì)于非黏性土河岸，當(dāng)土體被水流沖動(dòng)時(shí)，以單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)形式起動(dòng)，抗沖力主要來(lái)自土體的有效重力，對(duì)于黏性土堤岸，當(dāng)土體被水流沖動(dòng)時(shí)，以大小不等的顆?；蚰鄩K為起動(dòng)單元，抗沖力主要來(lái)自土體的黏聚力［5］。堤岸的抗沖能力概括成對(duì)堤岸和河床的影響引子主要包括:河岸土體性質(zhì)，河岸的比降(J)，河床形態(tài)等因素。其中河岸土體性質(zhì)對(duì)于一般河道常年是不會(huì)發(fā)生重大變化的，因而可以忽略不計(jì)。河岸的比降一般不易獲取，但比降是由上下游水位確定的，上游水位的影響可以體現(xiàn)在上游來(lái)水量 (Q)，可忽略，所以可以用下游水位 (Z)替代河岸的比降 (J)這一影響引子。河床形態(tài)一般由河岸的寬深比來(lái)體現(xiàn) (B0.5/H)，其中B為河寬，H為河深。因而堤岸的抗沖能力可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)影響引子，下游水位 (Z)和河床形態(tài) (B0.5/H)。而對(duì)于河流沖刷作用下人工堤岸穩(wěn)定性研究，我們所關(guān)注的是河岸的變形預(yù)測(cè)，所以預(yù)測(cè)模型的輸出引子是平均淤積厚度 (△H)。綜上所述，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究堤岸及河床的變形，輸入引子簡(jiǎn)化為上游來(lái)水量 (Q)、上游輸沙量 (S)、下游水位 (Z)和河床形態(tài) (B0.5/H)，輸出引子為平均淤積厚度 (△H)。

1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型各影響引子的獲取

利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究堤岸的演變和預(yù)測(cè)，輸入引子和輸出引子的獲取是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)測(cè)資料豐富的情況下，一般都可順利的定量確定各影響引子。對(duì)于堤岸及河床的變形預(yù)測(cè)模型中的影響引子，上游來(lái)水量 (Q)、上游輸沙量 (S)和下游水位 (Z)一般可從上下游的各級(jí)水文站處獲取，而河床形態(tài) (B0.5/H)及平均淤積厚度可通過(guò)對(duì)地形圖進(jìn)行一定的圖像處理來(lái)獲得，此種獲取途徑有一定的誤差，但一般可滿足實(shí)際工程的需要。

1.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)與工作原理

本文擬采用具有較強(qiáng)非線性映射能力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)研究堤岸及河道的變形。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中采用誤差反傳算法作為其學(xué)習(xí)算法的前饋網(wǎng)絡(luò)，由輸入層 (一層)、隱含層 (一層或多層)和輸出層 (一層)組成，層與層之間的神經(jīng)元采用全互連的連接方式，通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)W相互聯(lián)系，每層內(nèi)的神經(jīng)元之間沒(méi)有連接(如圖1所示)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程一般包括:“信息正向傳播”→“誤差反向傳播”→“記憶訓(xùn)練”→“學(xué)習(xí)收斂”這4個(gè)部分組成［6］。BP網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)之前，需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程，然后才可以用建立好的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，其工作原理也是非常清晰的，以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)堤岸及河道變形為例，將上游來(lái)水量 (Q)、上游輸沙量(S)、下游水位 (Z)和河床形態(tài) (B0.5/H)4個(gè)輸入引子從輸入層輸入，經(jīng)過(guò)隱含層逐層計(jì)算直到輸出層得到的輸出引子平均淤積厚度 (△H)，比較輸出引子平均淤積厚度 (△H)與期望值的差別，計(jì)算出誤差，然后反向傳播，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將誤差內(nèi)容沿原路徑傳回各層神經(jīng)元，并根據(jù)誤差修改其權(quán)值，使得下次正向傳播可以得到與期望值更為接近的信息。隨著輸入引子的正向傳遞與誤差的反向傳播的多次進(jìn)行，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的輸出引子平均淤積厚度 (△H)逐漸趨近期望值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程也就隨之結(jié)束。將要預(yù)測(cè)的輸入引子上游來(lái)水量 (Q)、上游輸沙量 (S)、下游水位 (Z)和河床形態(tài) (B0.5/H)代入學(xué)習(xí)完成的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)過(guò)各層網(wǎng)絡(luò)的傳播，就可以得到我們期望的平均淤積厚度 (△H)預(yù)測(cè)值。

2 沖刷作用下堤岸穩(wěn)定分析方法

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of neural network schematic diagram

沖刷作用下堤岸穩(wěn)定分析方法是首先要確定堤岸的沖刷狀態(tài)，然后根據(jù)邊坡穩(wěn)定方法計(jì)算堤岸被沖刷后的變形和穩(wěn)定性，同時(shí)評(píng)價(jià)沖刷條件下堤岸的穩(wěn)定性。此類方法在穩(wěn)定分析方面基于極限平衡條件和土的摩爾－庫(kù)侖準(zhǔn)則，最早是根據(jù)侵蝕堤岸進(jìn)行簡(jiǎn)單土坡穩(wěn)定分析［7］，或針對(duì)簡(jiǎn)單土坡的幾何剖面與侵蝕堤岸幾何剖面的差異，提出了考慮沖刷后幾何剖面的堤岸穩(wěn)定分析方法［8－10］。后來(lái)學(xué)者在此基礎(chǔ)上又進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)破壞面位置、滑動(dòng)面形狀、靜水壓力和孔隙水壓力作用等進(jìn)行了考慮，針對(duì)不同的土質(zhì)提出了不同的力學(xué)模擬方法和堤岸坍塌判別方法［11－16］。

在已有的研究成果中，基本局限于改進(jìn)沖刷堤岸幾何剖面和坍塌模式，而在穩(wěn)定分析理論、沖刷條件下堤岸幾何剖面改變后堤體內(nèi)部變形特性及對(duì)穩(wěn)定的影響、沖刷與滲流共同作用下堤岸穩(wěn)定評(píng)價(jià)等方面研究較少。本文基于上述考慮提出了平面水動(dòng)力學(xué)－土力學(xué)堤岸穩(wěn)定耦合分析方法 (Levee Stability Coupling Model Based of Hydrodynamics Soil mechanics，LSCMHS)，其具體過(guò)程為:

1)根據(jù)堤岸設(shè)計(jì)橫斷面確定自重應(yīng)力和滲流力共同作用下的耦合應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)堤岸土體特性選擇適當(dāng)?shù)耐馏w本構(gòu)模型計(jì)算相應(yīng)于上述耦合應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)變場(chǎng) (變形場(chǎng))，作為沖刷條件下堤岸穩(wěn)定分析的初始條件;

2)根據(jù)堤岸及河床變形的演變預(yù)測(cè)模型確定堤岸被沖刷后的幾何形狀，與設(shè)計(jì)剖面比較后確定沖刷后的計(jì)算橫斷面，再次通過(guò)計(jì)算確定耦合應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，與沖刷前進(jìn)行比較，根據(jù)塑性區(qū)域發(fā)展范圍判別堤岸整體穩(wěn)性和局部穩(wěn)定特征;

3)采用強(qiáng)度折減法確定沖刷前后塑性區(qū)域特征，通過(guò)對(duì)塑性區(qū)和特征點(diǎn)位移值綜合判定，給出整體安全系數(shù)和局部安全系數(shù)。

該方法需采用數(shù)值分析技術(shù)，并非商業(yè)軟件中的計(jì)算方法，主要優(yōu)點(diǎn)在于不必事先假設(shè)滑動(dòng)面位置和形狀，同時(shí)可以根據(jù)所選擇的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)用于不同的筑堤土體 (材料)，在考慮沖刷作用的同時(shí)考慮自重應(yīng)力和滲流力對(duì)堤岸穩(wěn)定的影響，當(dāng)計(jì)算不同工況時(shí)，還可以通過(guò)滲流場(chǎng)的計(jì)算考慮水位的上升與降落。

3 實(shí)例分析

3.1 基本概況

廣東北江大堤某河段位于北江下游，水流沖刷作用已造成部分近岸河道下切，所形成的堤腳掏空對(duì)人工堤防的穩(wěn)定構(gòu)成明顯威脅。(見(jiàn)圖2)。

圖2 典型斷面堤腳被沖刷現(xiàn)象Fig.2 River scour phenomenon of the toe of slope in typical section

3.2 堤岸坡腳被沖刷預(yù)測(cè)

本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)對(duì)河段人工堤岸坡腳被沖刷情況進(jìn)行計(jì)算與預(yù)測(cè)。根據(jù)水文資料確定計(jì)算斷面的上游來(lái)水量 (Q)、上游輸沙量(S)、下游水位 (Z)和河床形態(tài) (B0.5/H)如表1，將其作為影響引子 (輸入向量)，平均沖淤厚度△H為沖刷結(jié)果 (輸出向量)，以1999年至2008年10個(gè)年份實(shí)測(cè)資料作為訓(xùn)練樣本，2009年實(shí)測(cè)資料作為預(yù)測(cè)樣本。

表1 計(jì)算河段各斷面特征值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Section eigenvalue statistical table

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)研究斷面的實(shí)測(cè)特征值進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)。由于各斷面數(shù)據(jù)較多，每個(gè)斷面選擇高程為－2 m、－8 m、－12 m的岸線位置作為輸出數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 各斷面2009年坡腳岸線位置實(shí)際值與計(jì)算值對(duì)比表Table 2 Actual value and calculated value of the embankment toe shoreline in 2009

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到典型斷面51+575的堤岸坡腳沖刷預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖 (見(jiàn)圖3)。由圖可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，典型斷面的坡腳岸線位置預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確。綜上可以看出，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)堤岸坡腳的沖刷變形情況，得到河流沖刷作用后的堤岸坡腳幾何性狀。

圖3 典型斷面河流沖刷預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 River scour prediction results contrast diagram of typical section

3.3 河流沖刷作用下堤岸穩(wěn)定性分析

3.3.1 計(jì)算工況及計(jì)算方法 河流沖刷作用下人工堤壩穩(wěn)定分析選擇的典型斷面如圖3所示，根據(jù)堤岸的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)資料繪出了初始設(shè)計(jì)斷面(圖4a)和由于沖刷作用形成的沖刷后斷面 (圖4b)。根據(jù)分析和堤壩的運(yùn)行情況，計(jì)算時(shí)針對(duì)以下幾種工況采用上述平面水動(dòng)力學(xué)－土力學(xué)堤岸穩(wěn)定耦合分析方法進(jìn)行整體穩(wěn)定分析:

1)高水位 (百年一遇)并形成穩(wěn)定滲流;

2)枯水位并形成穩(wěn)定滲流。

圖4 沖刷前后的計(jì)算斷面Fig.4 Computation sections before and after river scour

3.3.2 計(jì)算參數(shù) 根據(jù)岸坡土體特征，采用摩爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，確定堤基及堤身土質(zhì)情況力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 計(jì)算選用參數(shù)Table 3 Calculation parameters

3.3.3 計(jì)算結(jié)果與分析 采用前述穩(wěn)定分析方法對(duì)指定斷面形式進(jìn)行了不同工況下的整體穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，最危險(xiǎn)滑弧位置見(jiàn)圖5、圖6，圖中由淺色到深色區(qū)域代表等效塑性應(yīng)變逐漸增大;設(shè)定沖刷前的岸坡?tīng)顟B(tài)為初始場(chǎng)，則由于河流沖刷作用造成坡腳坡面缺損后岸坡變形特征見(jiàn)圖7，圖中從淺到深色區(qū)域代表位移逐漸增大。

表4 堤壩邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總Table 4 Safety factor results of the overall stability of the slope

圖5 高水位并形成穩(wěn)定滲流時(shí)整體穩(wěn)定分析Fig.5 Overall stability analyze with high water level and steady seepage flow

上述計(jì)算結(jié)果表明，高水位時(shí)堤壩沖刷前后整體穩(wěn)定安全系數(shù)相差不大，表明堤壩在坡面或坡腳被沖刷后對(duì)其整體穩(wěn)定影響不敏感;枯水位時(shí)坡面和坡腳被沖刷前后的整體穩(wěn)定性有明顯降低，局部區(qū)域出現(xiàn)了滑動(dòng)破壞，從計(jì)算結(jié)果中看出在坡腳處塑性區(qū)貫通，出現(xiàn)小范圍滑動(dòng)，表明在水位較低時(shí)人工堤壩上游坡面對(duì)沖刷造成的坡腳處形狀的變化比較敏感。采用平面水動(dòng)力學(xué)－土力學(xué)堤岸穩(wěn)定耦合分析方法，根據(jù)河床變形的演變預(yù)測(cè)模型確定了堤岸被沖刷后的幾何形狀，與設(shè)計(jì)剖面比較后確定了沖刷后的計(jì)算橫斷面，考慮了時(shí)間因素的影響。另外，沖刷作用形成的坡腳或坡面缺損可以導(dǎo)致坡面及坡腳產(chǎn)生附加變形，特別是被沖刷區(qū)域附近，這對(duì)于堤岸的安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)是極為不利的。

4 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)當(dāng)前的實(shí)測(cè)資料預(yù)測(cè)未來(lái)沖刷結(jié)果對(duì)于人工堤防的運(yùn)行是極為重要的，各種預(yù)測(cè)方法中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因?yàn)楹?jiǎn)單易行，可考慮水動(dòng)力因子的影響而具有實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。本文所建立的模型可操作性強(qiáng)，實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證了預(yù)測(cè)結(jié)果的可信。

2)通過(guò)對(duì)水流沖刷后的邊坡進(jìn)行的整體穩(wěn)定分析和應(yīng)力－應(yīng)變分析表明了沖刷造成坡腳、坡面缺損后邊坡整體穩(wěn)定性的降低和沖刷區(qū)變形的增加。這種將基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的沖刷預(yù)測(cè)模型和邊坡穩(wěn)定分析模型相結(jié)合的水動(dòng)力學(xué)－土力學(xué)堤岸穩(wěn)定耦合分析方法可以將沖刷作用及對(duì)堤壩整體穩(wěn)定的影響作為因果，極大的提升了河流沖刷模型的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。此方法通過(guò)有限元模型極易拓展到各類非均質(zhì)堤壩在沖刷條件下的變形分析和預(yù)警，具有較好的適宜性和實(shí)用性，這對(duì)于堤防建設(shè)和運(yùn)行管理具有重要意義。

3)根據(jù)本文的研究思路，可結(jié)合可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)“實(shí)測(cè)－預(yù)測(cè)－穩(wěn)定評(píng)價(jià)”的一體化自動(dòng)分析，對(duì)于人工堤防的運(yùn)行管理具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以實(shí)現(xiàn)沖刷條件下堤壩邊坡的預(yù)測(cè)預(yù)警。

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