呂雪超，王理想，劉發(fā)智，韓 雷

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

水庫(kù)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性在水位驟降工況下的研究比較成熟，對(duì)水位下降條件下堤防穩(wěn)定性的研究同樣具有重要的意義。高驥[1]將堤壩內(nèi)飽和區(qū)和非飽和區(qū)耦合在一起，構(gòu)成整體的分析模型。朱偉[2]研究了河堤內(nèi)非穩(wěn)定滲流的實(shí)測(cè)與分析，得出浸潤(rùn)線(xiàn)的變化趨勢(shì)。陸彥[3]研究河道水位降落對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，得出邊坡穩(wěn)定與滲流方向有關(guān)。趙宇坤[4]通過(guò)建立有限元滲流模型得出水位驟降情況下的堤岸穩(wěn)定狀態(tài)。劉杰[5]等提出接觸沖刷水力坡降。韓雷[6]通過(guò)對(duì)黑干砂性土物理特性試驗(yàn)，指出砂性土滲透性良好，不易壓實(shí)，完工后對(duì)工程質(zhì)量影響較大。本文以二元混合堤為研究對(duì)象，利用巖土工程有限元數(shù)值分析軟件GEO-Studio，在前人研究的基礎(chǔ)上，主要研究長(zhǎng)期高水位浸泡作用下混合堤在不同下降速度下的堤防滲流與抗滑穩(wěn)定性。

1 工程概況

以松花江流域某混合堤段為研究對(duì)象，堤防高6 m，堤頂寬8 m，堤身寬47 m，迎水坡坡比為1∶3，背水坡坡比為1∶3.5，上層級(jí)配不均勻砂性土，下層黏土。

滲流分析使用程序SEEP/W，有限元網(wǎng)格劃分采用四邊形與三角形模式，總共696個(gè)單元，如圖1所示。堤防20～50 a設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，選取設(shè)計(jì)洪水位(水位高度4 m)作為對(duì)象分析，模擬2.500 cm/s(驟降)、0.100 cm/s(快降)和0.003 cm/s(緩降)不同下降速度工況下堤坡穩(wěn)定性分析，計(jì)算時(shí)間為680 h。

圖1 混合堤段斷面邊坡分析有限元模型和網(wǎng)格劃分

材料類(lèi)型干密度/(g·cm-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)飽和滲透系數(shù)/(cm·s-1)不均勻系數(shù)砂性土1.53035.00.036.5黏土1.49408.50.000 0027.2

2 有限元法滲流分析

2.1 有限元法原理

有限元法是把連續(xù)體離散化為有限個(gè)單元的集合體來(lái)進(jìn)行研究，引用變分原理對(duì)研究問(wèn)題建立模型，推導(dǎo)出近似解的一組方程，最后歸結(jié)為求解多階系數(shù)矩陣的線(xiàn)性方程組，利用計(jì)算機(jī)在矩陣分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行所需要精度的計(jì)算。

2.2 數(shù)學(xué)模型：

二維滲流的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：Ss為單位貯存量；Kx為x方向滲透系數(shù)；Ky為y方向滲透系數(shù)；h為水頭高度。

Ss=ρg(α+nβ)

(2)

式中：n為土體的孔隙率；α骨架顆粒的壓縮性;β為水的壓縮性；ρ為水的密度；g為重力加速度。

基本方程的求解需滿(mǎn)足定解條件：

(1)邊界條件分為水頭邊界條件見(jiàn)式(3)和流量邊界條件見(jiàn)式(4)。

h|Γ1=h(x,z,t)

(3)

(4)

(2)初始條件見(jiàn)式(5)。

h|Γ1=h(x,z,t)

(5)

數(shù)值模擬中定義水位下降迎水坡為水頭邊界條件，背水坡定義為不透水邊界，水位下降分析的結(jié)果代入堤坡穩(wěn)定性分析中，采用Morgenstern-Prince極限平衡法求解水位下降時(shí)堤坡穩(wěn)定系數(shù)。

3 混合堤滲流模擬結(jié)果分析

3.1 不同下降速度浸潤(rùn)線(xiàn)變化

水位緩降(圖2)初始階段，堤內(nèi)水位響應(yīng)稍有滯后，孔隙水排出較慢，而水位快降(圖3)和驟降(圖4)階段，水位下降速度快，使得堤內(nèi)飽和孔隙水來(lái)不及排出，堤內(nèi)殘余的孔隙水壓力變大，土體的抗剪強(qiáng)度變低，堤內(nèi)滲透坡降變大，順坡下滑方向的滲流作用力也變大，將對(duì)堤防滲透和邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖2 緩降(0.003 cm/s)浸潤(rùn)線(xiàn)變化圖

圖3 快降(0.100 cm/s)浸潤(rùn)線(xiàn)變化圖

圖4 驟降(2.500 cm/s)浸潤(rùn)線(xiàn)變化圖

3.2 XY方向滲透坡降

驟降條件下滲透坡降見(jiàn)圖5。

圖5 驟降(2.500 cm/s)5.1 h后XY方向滲透坡降圖

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](GB 50286—2013)，無(wú)黏性土的允許坡降，見(jiàn)表2。

根據(jù)室內(nèi)土的物理試驗(yàn)，各層土的物理性質(zhì)見(jiàn)表3。

表2 無(wú)黏性土的允許坡降

表3 現(xiàn)場(chǎng)土層的物理性質(zhì)

當(dāng)最大坡降大于臨界坡降，會(huì)發(fā)生流土破壞，泥沙顆粒會(huì)被水流帶走。流土是否發(fā)生的判別條件是i?Ic r。李廣信[8]提出土中水引起的滲透破壞-流砂，相對(duì)于流土范圍更廣一些，也可能發(fā)生在任何方向，并且比流土的臨界水力坡降要小?？紤]XY方向坡降，表4～表6為不同條件下水位下降不同時(shí)刻的最大水力坡降和可能發(fā)生的破壞類(lèi)型。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)迎水坡填筑料顆粒分析曲線(xiàn)

表4 驟降條件下堤防比降和可能發(fā)生破壞類(lèi)型

表5 快降條件下堤防比降和可能發(fā)生破壞類(lèi)型

表6 緩降條件下堤防比降和可能發(fā)生破壞類(lèi)型

水位驟落后堤坡滲透坡降較高，在非穩(wěn)定滲流條件下，滲流方向由內(nèi)向外。水位在降落后短時(shí)間內(nèi)，滲透力的增加將會(huì)對(duì)堤坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，同時(shí)接觸面材料粒徑差別較大，促使接觸面土體滑動(dòng)。由表4～表6可知驟降工況下堤防發(fā)生滲透破壞，主要集中發(fā)生在迎水坡坡腳及砂性土和黏土層接觸面；快降工況下，發(fā)生流砂和接觸沖刷的可能性較大，集中在迎水坡砂性土和黏土層接觸面；緩降對(duì)堤防滲透破壞的可能性較低。

3.3 堤坡穩(wěn)定系數(shù)

由圖7可知，不同下降速度下，驟降、快降和緩降工況下堤坡穩(wěn)定性變化規(guī)律比較一致。隨著孔隙水壓力消散，穩(wěn)定系數(shù)也發(fā)生較大的變化，呈現(xiàn)先下降，然后逐漸增大最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。速度越快最初的穩(wěn)定系數(shù)越小，但最終的穩(wěn)定系數(shù)是相同的，在堤防合理設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不同下降速度引起滑坡的可能性較低。

圖7 不同下降速度穩(wěn)定系數(shù)圖

水位降落之初，堤坡內(nèi)部的水來(lái)不及排出，在坡體內(nèi)部產(chǎn)生不穩(wěn)定滲流，繼而產(chǎn)生動(dòng)水壓力，對(duì)邊坡產(chǎn)生不利的影響，使堤坡的穩(wěn)定系數(shù)降低。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，坡體內(nèi)水不斷的排出，坡體內(nèi)的滲流作用力不斷減小，坡體的穩(wěn)定系數(shù)不斷增加。

4 結(jié) 論

本文以典型混合堤防為例，結(jié)合地質(zhì)條件，建立滲流有限元數(shù)值模型，對(duì)設(shè)計(jì)洪水位長(zhǎng)期浸泡條件下的二元混合堤防進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論：

(1)水位驟降過(guò)程中，水位下降初始階段，堤坡迎水側(cè)可能發(fā)生流砂滲透破壞，隨著孔隙水壓力消散，砂性土與黏性土交界面處會(huì)發(fā)生流砂和接觸沖刷滲流破壞；快降過(guò)程中主要在砂性土和黏性土交界面處發(fā)生流砂和接觸沖刷；緩降發(fā)生滲透破壞的可能性較低。

(2)通過(guò)計(jì)算得出，下降速度對(duì)堤防穩(wěn)定性和滲透穩(wěn)定性有決定性的影響。下降速度越快，邊坡內(nèi)殘余的孔隙水壓力就越大，土體抗剪強(qiáng)度越小，堤防最初的穩(wěn)定系數(shù)越小。堤防穩(wěn)定系數(shù)隨著水位下降呈現(xiàn)先減小后增加，最終趨于穩(wěn)定一致的狀態(tài)。在堤防穩(wěn)定性合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生滑坡、崩塌現(xiàn)象。

(3)這里只對(duì)影響堤坡穩(wěn)定性的下降速度進(jìn)行研究，還有很多因素可以繼續(xù)研究分析，如降雨、堤防土體參數(shù)等對(duì)堤坡穩(wěn)定性不利的因素，從而為水利工程混合堤防建設(shè)提供參考意見(jiàn)，避免不利因素影響。