熊 威,王 姣,王萱子,胡 強,彭圣軍
(江西省水利科學(xué)院,江西 南昌 330029)
堤防是鄱陽湖濱湖地區(qū)主要的防洪工程,與枯水期相比,鄱陽湖在汛期的水面面積與水位差別較大[1],且汛期降雨頻繁,易造成堤防滲透破壞及邊坡失穩(wěn),因此,開展鄱陽湖區(qū)堤防邊坡穩(wěn)定性研究具有重要意義。方景成等[2]開展了庫水位下降速率和降雨強度與邊坡安全系數(shù)的敏感性分析。劉俊新等[3]對邊坡穩(wěn)定性影響因素進行了數(shù)值計算,認為降雨強度和歷時及長期強度的影響最明顯。王樂等[4]基于Geo-slope 2012軟件,對不同類型降雨與庫水位聯(lián)合作用下的土質(zhì)邊坡滑坡失穩(wěn)過程進行了分析。倪沙沙[5]考慮了基質(zhì)吸力對壩體材料抗剪強度的影響,將暫態(tài)滲流場與極限平衡法相結(jié)合,計算了壩坡的穩(wěn)定性。岑威鈞等[6]考慮氣相與基質(zhì)吸力的影響,開展了堤防滲流及穩(wěn)定性分析。呂雪超[7]采用數(shù)值模擬與模型實驗相結(jié)合的方法,分析了堤防瞬態(tài)滲流特性及堤坡穩(wěn)定性。已有研究的對象大部分為大壩及土質(zhì)邊坡,部分對堤防的研究也僅單獨考慮水位升降或降雨的影響。本文基于2020年鄱陽湖超歷史大洪水背景,模擬了堤防在洪水全過程作用下的孔隙水壓力(以下簡稱“孔壓”)與安全系數(shù)變化,并考慮降雨強度與降雨歷時等不利因素影響,分析了鄱陽湖堤防邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律,可為堤防防汛搶險提供參考。
該堤防工程位于鄱陽湖流域饒河支流昌江下游,堤線總長9.607 km,圩堤內(nèi)集水面積56.0 km2,保護面積15.3 km2,保護耕地1萬hm2(1.5萬畝),保護區(qū)內(nèi)人口1.8萬。堤防建于20世紀60年代,后經(jīng)多次除險加固達到現(xiàn)有規(guī)模,堤身為典型的二元結(jié)構(gòu);上層為透水性較低的黏土,下層為透水性較強的砂壤土。堤頂高程24.50 m,寬8.0 m,臨水坡坡比1∶3,背水坡坡比1∶3.5,警戒水位19.50 m。
飽和-非飽和滲流微分方程的張量表示[4]如下:
(1)
式中:xi,xj為空間坐標張量;kij為滲透張量;kr為透水率;Hc為水頭;q為源匯項;C(Hc)為容水度;θ為水頭函數(shù);n為孔隙率;Ss為單位貯水量;t為時間。
Fredlund-Xing[8-9]模型是進行土體非飽和滲流計算的主要方法之一,其控制方程為
(2)
式中:θw,θs分別為體積含水量、飽和體積含水量;Cφ為修正項;φ為負孔壓;a,n和m為經(jīng)驗擬合參數(shù)。
由式(2)可知,通過土體的飽和體積含水量θs可估算出滲透系數(shù)函數(shù):
(3)
式中:kw與ks分別為滲透系數(shù)與飽和滲透系數(shù);j與N為最小負孔壓與最大負孔壓;i為單位間距;θs為飽和體積含水量;y為虛變量;ψ為第j步的負孔壓;θ0為初始體積含水量。
土體孔隙水壓力的增大會降低土的基質(zhì)吸力,導(dǎo)致其抗剪強度削弱。非飽和土抗剪強度τ的計算采用Fredlund[10]提出的公式:
τ=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb
(4)
式中:c′與φ′分別為有效黏聚力與有效內(nèi)摩擦角;σn為法向應(yīng)力;ua與uw分別為孔隙氣壓力與孔隙水壓力;φb為受基質(zhì)吸力變化影響后的內(nèi)摩擦角。
在非飽和土的情況下采用簡化畢肖普法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs的表達式[11]如下:
Fs=
(5)
堤防典型橫斷面見圖1。堤身材料參數(shù)見表1。采用Geo-Studio軟件建立有限元模型,如圖2所示,網(wǎng)格單元類型為三角形單元和四邊形單元,全局單元尺寸為1 m,模型共有493個節(jié)點,432個單元。為監(jiān)測堤身不同部位孔壓的變化,在堤防上下游設(shè)置監(jiān)測點A,B,C(圖1)。將堤防的迎水坡邊界(DEI)設(shè)置為水頭,水位隨著時間上升和下降,堤頂(DG)和背水坡(GFH)設(shè)置為降雨邊界。
圖1 堤防典型橫斷面
表1 堤身材料參數(shù)
圖2 有限元模型
土水特征曲線通過材料的飽和體積含水率和SEEP/W模塊提供的黏土樣條函數(shù)和砂壤土樣條函數(shù)估算,滲透系數(shù)曲線采用Fredlund-Xing模型擬合,參數(shù)設(shè)置為a=12.0 kPa、n=1.0、m=1.5。堤身材料土水特征曲線擬合結(jié)果見圖3,滲透系數(shù)曲線擬合結(jié)果見圖4。
為盡可能接近2020鄱陽湖超歷史大洪水工況,根據(jù)實測洪水資料,將洪水過程劃分為以下3個階段:① 不同水位上升速率聯(lián)合不同降雨強度作用階段;② 持續(xù)高水位情況下降雨強度及降雨歷時作用階段;③ 不同水位下降速率與不同降雨強度作用階段。各階段對應(yīng)工況的詳細劃分見表2。
圖3 土水特征曲線
圖4 滲透系數(shù)曲線
表2 計算工況
圖5為階段1堤身孔壓整體變化。隨降雨過程的持續(xù)與水位的上升,堤身孔壓變化明顯。圖6~8為本次洪水全過程3個監(jiān)測點的孔壓變化過程:孔壓變化規(guī)律總體為隨上游水位上升而逐漸升高,隨上游水位下降而逐漸降低;不同位置孔壓變化規(guī)律基本相同,上游坡孔壓響應(yīng)速度明顯高于下游坡。未考慮降雨時,水位上升(下降)速率越大,孔壓變化速率越大,但最終孔壓值相同,水位上升(下降)速率不影響堤身最終孔壓值??紤]降雨時的最終孔壓值比未考慮降雨時大,且降雨強度越大,孔壓變化速度越快,降雨歷時越長、高孔壓持續(xù)時間越長;降雨強度與降雨歷時對監(jiān)測點孔壓最終狀態(tài)無影響。其中,考慮降雨時,階段3監(jiān)測點的孔壓先增大后減小,主要是因為降雨入滲使土體孔壓增大,并隨降雨的停止而逐漸減小。在本次洪水全過程中,階段1、階段2孔壓變化幅度大于階段3,此時若遭遇降雨,則會明顯提高堤身孔壓,降低土體基質(zhì)吸力,進而易引起堤防出現(xiàn)管涌、滲漏及滑坡等險情。
圖5 階段1孔壓整體變化
圖6 階段1各監(jiān)測點孔壓變化
圖7 階段2各監(jiān)測點孔壓變化
圖8 階段3各監(jiān)測點孔壓變化
圖9~11為上下游坡安全系數(shù)的變化過程。經(jīng)分析可知:在上游水位上升過程中,上游坡安全系數(shù)先增大后減小,下游坡安全系數(shù)逐漸降低;這是因為隨著上游水位升高,上游坡受水壓加載作用,安全系數(shù)會先增大,在上游水位上升以后,土體的強度參數(shù)及有效應(yīng)力降低,從而安全系數(shù)逐漸減小。持續(xù)高水位階段,上下游坡安全系數(shù)在降雨的作用下逐漸減小,降雨停止時會小幅上升。在考慮降雨作用的上游水位下降過程中,上游坡安全系數(shù)逐漸減小,下游坡安全系數(shù)先增大后逐漸減小并趨于穩(wěn)定,主要原因是:降雨初期,堤身浸水部分土體抗滑力下降程度小于下滑力的下降程度,使下游坡穩(wěn)定性在降雨初期有一定升高;隨著降雨停止和雨水滲入土體內(nèi)部,土體強度參數(shù)和有效應(yīng)力降低,從而穩(wěn)定系數(shù)減小。水位變化速率對上下游坡最終安全系數(shù)無影響;考慮降雨時的上下游坡最終安全系數(shù)比未考慮降雨時小,但降雨強度和降雨歷時對上游坡最終安全系數(shù)無影響。綜上所述,降雨對堤坡不同階段安全系數(shù)有不同程度的影響,即使在水位下降階段,上游坡遭遇降雨時安全系數(shù)仍會明顯下降。
圖9 階段1安全系數(shù)變化
圖10 階段2安全系數(shù)變化
圖11 階段3安全系數(shù)變化
本文通過有限元模擬,分析了鄱陽湖堤防在2020年洪水全過程作用下的孔壓與安全系數(shù)變化,并考慮降雨強度與降雨歷時等不利因素影響,研究了堤防的邊坡穩(wěn)定性,得到以下結(jié)論。
(1) 水位上升(下降)速率不影響堤身最終孔壓;降雨會明顯提高堤身孔壓、降低土體基質(zhì)吸力,使堤防易出現(xiàn)管涌、滲漏及滑坡等險情。
(2) 水位上升(下降)速率不影響堤身最終安全系數(shù);降雨會明顯降低上下游坡安全系數(shù)。需特別注意在水位下降過程中,上游坡在遭遇降雨的情況下易發(fā)生滑坡險情,因此在洪水全過程均應(yīng)加強堤防的安全巡查。