孫彥彪

(遼寧瑞宸工程建設(shè)監(jiān)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(shè)置河堤工程地質(zhì)參數(shù)，以提高中小河流在施工過程中的穩(wěn)定性[1]。傳統(tǒng)方法主要使用數(shù)值模型仿真來計算工程地質(zhì)參數(shù)[2]-[6]。該方法的優(yōu)點在于，它可以為各種河流堤提供更精確的地質(zhì)參數(shù)時空分布，但是操作起來更加復雜。需要建立河堤的數(shù)學模型[7]。近年來，許多區(qū)域已經(jīng)使用物理模型測試了河堤的地質(zhì)參數(shù)分析。這種方法的優(yōu)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(zhì)參數(shù)。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(qū)河堤建設(shè)的地質(zhì)參數(shù)而獲得的[9-14]。由于尚未應(yīng)用到遼寧地區(qū)，因此結(jié)合物理模型和現(xiàn)場觀測來分析和優(yōu)化遼寧地區(qū)中小河堤防工程的地質(zhì)參數(shù)。研究結(jié)果對于確定中小型河流堤防工程治理和設(shè)計具有參考意義。

1 地質(zhì)參數(shù)分析方法

物理模型水流流體，設(shè)定為多孔傳輸?shù)慕橘|(zhì)，河道堤防的滲透系數(shù)采用達西定律進行計算：

(1)

該滲透系數(shù)物理模型簡化了傳統(tǒng)統(tǒng)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(shù)，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(shù)計算方程為：

(5)

式中：a和u分別為地質(zhì)參數(shù)。非穩(wěn)定滲透水流的計算方程為：

(6)

各方向滲透系數(shù)的參數(shù)為常數(shù)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(shù)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(wěn)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(zhì)參數(shù)分析

采用物理模型放水試驗的方式對地質(zhì)參數(shù)進行確定，首先結(jié)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(zhì)參數(shù)進行分析，如表1所示，結(jié)合各試驗河段的地質(zhì)參數(shù)，分別進行15組物理模型方式試驗，對其穩(wěn)滲參數(shù)進行確地，滲透系數(shù)確定結(jié)果如表2所示。

表1 各試驗河段地質(zhì)參數(shù)

表2 地質(zhì)穩(wěn)滲系數(shù)分析結(jié)果

從試驗分析結(jié)果可看出，不同河段地質(zhì)參數(shù)具有較為明顯的差異度，河道堤防地質(zhì)參數(shù)受不同土層類型影響較大，此外各地質(zhì)參數(shù)隨著土層厚度的增加，對于同一類型土層而言，其地質(zhì)各項參數(shù)具有所遞增。對于相同土層厚度而言，粉質(zhì)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(nèi)摩擦角而言，粉砂由于具有較低的黏聚力，使得其內(nèi)摩擦角較大，而對于河道堤防工程而言，內(nèi)摩擦角越大，越不利于河道堤防工程的穩(wěn)定性。由于具有較高的黏聚力，素填土的內(nèi)摩擦角較大，有利于河道堤防工程的穩(wěn)定性。文章重點對河道堤防工程地質(zhì)穩(wěn)滲系數(shù)進行了分析，從穩(wěn)滲分析結(jié)果可看出，試驗測定的穩(wěn)滲系數(shù)和計算的穩(wěn)滲系數(shù)之間的誤差較低，可滿足河道堤防工程設(shè)計的要求。一般而言，對于穩(wěn)定系數(shù)較高的河道堤防試驗段其誤差相對較低，而對于穩(wěn)定系數(shù)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(jié)合15組放水試驗測定穩(wěn)滲系數(shù)進行分析，分別對傳統(tǒng)方法和新方法下的穩(wěn)滲系數(shù)進行對比分析，從而確定較為優(yōu)化的河道堤防施工地質(zhì)參數(shù)的方法，兩種方法對比結(jié)果如表3所示。

表3 兩種方法的穩(wěn)滲系數(shù)對比結(jié)果

穩(wěn)滲系數(shù)是中小河流堤防治理工程重要的一項地質(zhì)參數(shù)，其對于河道堤防工程的穩(wěn)定性十分重要。近些年來，對于穩(wěn)定系數(shù)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(zhì)類型下的穩(wěn)定滲透系數(shù)，存在一定的局限性，為此文章采用物理模型并結(jié)合原位觀測兩種方式，提高了不同地質(zhì)類型對其穩(wěn)定系數(shù)的科學核定。從兩種方法計算的穩(wěn)定滲透系數(shù)的精度結(jié)果可看出，相比于傳統(tǒng)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(xiàn)不同河道堤防地質(zhì)類型以及放水流量對其河道堤防穩(wěn)定滲透系數(shù)的影響，且新方法下計算的穩(wěn)定滲透系數(shù)的精度也明顯要好于傳統(tǒng)方法，采用新方法計算的穩(wěn)定滲透系數(shù)的誤差均可在20%以內(nèi)，相比于傳統(tǒng)穩(wěn)定滲透系數(shù)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(jié) 論

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

2)穩(wěn)滲系數(shù)是中小河流堤防治理工程重要的一項地質(zhì)參數(shù),一般而言，對于穩(wěn)定系數(shù)較高的河道堤防試驗段其誤差相對較低，而對于穩(wěn)定系數(shù)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(wěn)定滲透系數(shù)的誤差均可在20%以內(nèi)，相比于傳統(tǒng)穩(wěn)定滲透系數(shù)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。