李會杰

摘 要：堤防在季節(jié)性或周期性發(fā)揮作用的過程中造成堤防沖刷現(xiàn)象十分普遍和嚴(yán)重。本文將堤防假定為各向同性的均質(zhì)彈性體，基于流體力學(xué)理論構(gòu)建了河流沖刷作用下的堤防滲流場模型，運用三維有限元研究了河流沖刷堤防邊坡的三維問題，并分析了滲流和沖刷共同作用下堤防邊坡的失穩(wěn)過程。結(jié)果表明：堤防邊坡的坡腳首先出現(xiàn)塑性，隨著沖刷作用的持續(xù)進行，塑性繼續(xù)向邊坡上部發(fā)展，并最終發(fā)展到坡頂，塑性區(qū)域貫通后，引起邊坡的失穩(wěn)，形成滑坡。

關(guān)鍵詞：理論分析;有限元技術(shù);沖刷力;滲透力;自重應(yīng)力耦合力系

中圖分類號：TU473文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）25-0081-03

Abstract： Dike erosion is very common and serious in the process of seasonal or periodic function. In this paper， the dike was assumed to be an isotropic homogeneous elastic body. Based on the theory of fluid mechanics， the seepage field model of embankment under river erosion was constructed. The three-dimensional finite element method was used to study the three-dimensional problem of embankment slope scoured by river， and the instability process of embankment slope under the joint action of seepage and scouring was analyzed. The results show that： the slope toe of embankment slope first appears plasticity， with the continuous erosion， the plasticity continues to develop to the upper part of the slope， and finally develops to the top of the slope. After the plastic area passes through， it causes the slope instability and forms landslide.

Keywords： theoretical analysis;finite element technology;scouring force;permeability;gravity and stress coupling force system

人工提防是約束河勢、防御洪水的重要屏障，其穩(wěn)定性取決于兩個方面的因素：一是堤防材料特性、堤防結(jié)構(gòu)、堤防的剖面形狀、平面形狀和走向;二是與河流沖刷、河勢變化等外在條件有關(guān)[1-3]。其中，近岸水流對堤腳和堤岸的沖刷現(xiàn)象在我國25萬km的各類堤防上十分普遍，由沖刷導(dǎo)致的堤防穩(wěn)定方面的問題也時有發(fā)生，特別是一些填土質(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堤防的穩(wěn)定構(gòu)成極大的威脅。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)定性問題一直受到政府和相關(guān)技術(shù)部門的高度重視。

本文基于彈性力學(xué)理論構(gòu)建了河流沖刷作用下的堤防應(yīng)力場模型，考慮流體-土體的應(yīng)力、位移特點，構(gòu)建了河流沖刷作用下的堤防滲流場與應(yīng)力場耦合模型，并進行了三維數(shù)值分析。

1 河流沖刷作用下堤防應(yīng)力和滲流模型

根據(jù)虛功原理，均質(zhì)堤防土體中體系外力的虛功與內(nèi)力的虛功等于零，即變形體內(nèi)的應(yīng)力在虛應(yīng)變上所做的功與體積力和面積力在虛位移上所做之功相等，即

3 結(jié)論

將堤防假定為各向同性的均質(zhì)彈性體，基于流體力學(xué)理論構(gòu)建了河流沖刷作用下的堤防滲流場模型，運用三維有限元研究了河流沖刷堤防邊坡的三維問題，主要結(jié)論如下。

①運用ABAQUS非線性動力有限元軟件計算了堤防邊坡（未防護、砌石護面）的穩(wěn)定系數(shù)，砌石護面的邊坡穩(wěn)定系數(shù)超過1.4，能有效地提高邊坡的安全性。

②分析了滲流和沖刷共同作用下堤防邊坡的失穩(wěn)過程，堤防邊坡的坡腳首先出現(xiàn)塑性，隨著沖刷作用的持續(xù)進行，塑性繼續(xù)向邊坡上部發(fā)展，并最終發(fā)展到坡頂，塑性區(qū)域貫通后，引起邊坡的失穩(wěn)，形成滑坡。因此，堤防邊坡的坡腳加固和坡面防護是保證邊坡安全的重要措施。

參考文獻：

[1]劉動，陳曉平.河流沖刷作用下人工堤岸穩(wěn)定性研究[J].中山大學(xué)學(xué)報，2013（5）：52-53.

[2]朱建強，鄒社校，潘傳柏.長江中下游堤防侵蝕及其防治[J].水土保持通報，2000（5）：5-10.

[3]王延貴.沖積河流岸灘崩塌機理的理論分析及試驗研究[D].北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2003.

[4]吳昌燦.風(fēng)浪作用下防護堤壩滲流與沖刷的可靠性及岸灘侵蝕數(shù)值模擬問題的分析方法[D].杭州：浙江大學(xué)，2004.

[5]吳昌瑜，張偉.長江堤防某些土層組合的滲流特性試驗[J].長江科學(xué)院院報，2006（1）：27-30.

[6]王立輝.潰壩水流數(shù)值模擬與潰壩風(fēng)險分析研究[D].南京：南京水利科學(xué)研究院，2006.

[7]張芳枝.河流沖刷作用下堤岸穩(wěn)定性研究[D].廣州：暨南大學(xué)，2010.

[8]房殿榮.黃河下游堤防潰口土體的沖刷性能[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

[9]趙壽剛，汪自力，張俊霞，等.黃河下游堤防土體抗沖特性試驗研究[J].人民黃河，2012（1）：11-13.

[10]馬海彥.堤防工程基礎(chǔ)沖刷深度計算問題[J].中國水利，2012（12）：26-27.

[11]侯鐵錚.連山河沖刷深度計算方法[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2016（6）：48-49.