洪水位變化對(duì)堤防穩(wěn)定的影響

朱　濤　訾　娟　范瑞朋　任　堂

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洪水位變化對(duì)堤防穩(wěn)定的影響

朱濤訾娟范瑞朋任堂

摘要介紹了堤防在洪水過(guò)程中邊坡穩(wěn)定的影響因素，并根據(jù)geo-studio軟件計(jì)算了一個(gè)堤防邊坡在水位下降過(guò)程中的非飽和非穩(wěn)定滲流和穩(wěn)定滲流，得到了堤防邊坡滲流變化規(guī)律和安全系數(shù)，并采取了提高堤防穩(wěn)定的措施。

關(guān)鍵詞堤防穩(wěn)定洪水非飽和非穩(wěn)定滲流

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和河道整治的逐步完善，堤防的安全問(wèn)題也越來(lái)越多地呈現(xiàn)在人們面前。堤防的破壞因素除了常見的沖刷、流土、管涌之外，一個(gè)重要的破壞因素就是洪水消退引起的滲透破壞。一般情況下，洪水歷時(shí)短，強(qiáng)度大，不如水庫(kù)水位容易控制，所以堤防的水位在短時(shí)間內(nèi)有暴漲暴落的情況，極大地影響了堤防迎水面邊坡的穩(wěn)定性。

1　堤防邊坡穩(wěn)定分析原理

1.1邊坡滲流原理

洪水位變化是堤防邊坡穩(wěn)定的重要影響因素。河道堤防多為均質(zhì)土堤，滲透系數(shù)較小，滲流浸潤(rùn)線的變化總滯后于洪水位的變化［1］。

洪水位驟降時(shí)，堤內(nèi)水來(lái)不及排出，浸潤(rùn)線最高處高于洪水位，不僅使邊坡體迎水面形成較大的水力梯度和流向河道的不穩(wěn)定滲流，而且由于土體內(nèi)孔隙水壓力不能很快消散［2］，形成超孔隙水壓力，減小土粒之間的有效應(yīng)力［3］，影響堤防邊坡穩(wěn)定。由于河道水位下降過(guò)程中，下游邊坡水位總是下降的，對(duì)下游坡影響較小，故本次分析只分析水位驟降對(duì)堤防迎水面邊坡穩(wěn)定的影響［4］。

1.2非飽和與非穩(wěn)定滲流的數(shù)學(xué)模型

非飽和與非穩(wěn)定滲流的基本方程：

式中θw——體積含水率；

kwij——滲透系數(shù)；

Pw，j——Pw在j方向上的導(dǎo)數(shù)；

bj——單位體積力；

ρ——水的密度；

g——重力加速度。

土的飽和度和基質(zhì)吸力的關(guān)系公式：

式中n——孔隙率。

總水頭φw的計(jì)算公式：

式中y——位置水壓。

假定y軸與重力加速度方向相反，即可得以總水頭φw為變量的基本方程：根據(jù)此方程采用非線性迭代計(jì)算，即可求解得每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的孔壓分布值和浸潤(rùn)線的位置［2］。

1.3非飽和土抗剪強(qiáng)度理論

飽和土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一般利用摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，但是對(duì)于非飽和土，由于氣體的存在，其強(qiáng)度理論十分復(fù)雜，經(jīng)典的飽和土力學(xué)不能精確表達(dá)。國(guó)內(nèi)外有很多研究，其中Fredlund的雙參數(shù)模型應(yīng)用較廣。

1.4計(jì)算軟件原理

本次計(jì)算采用的軟件是 Geo-studio軟件的SEEP/W和Slope/W模塊。

SEEP/W計(jì)算模塊采用的是基于飽和、非飽和土體滲流的達(dá)西定律［5］，通過(guò)建立滲流模型，進(jìn)行有限元計(jì)算，可以分析堤防邊坡在飽和條件、非飽和水條件下的滲流隨時(shí)間的變化。Slope/W計(jì)算模塊采用的是Morgenstern-Price（摩根斯坦-普林斯）法：對(duì)任意曲線形狀的滑裂面進(jìn)行了分析，導(dǎo)出滿足力的平衡和力矩平衡條件的微分方程組，然后假定兩相鄰?fù)翖l在法向條間力和切向條間力之間存在對(duì)水平方向坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系，最后根據(jù)整個(gè)滑動(dòng)土體的邊界條件求出問(wèn)題的解答［6］。

2　工程實(shí)例及分析

本次計(jì)算根據(jù)天津大清河的一段堤防的參數(shù)和相應(yīng)的典型洪水過(guò)程計(jì)算堤防在洪水過(guò)程中的穩(wěn)定性。

2.1工程概況

堤防建筑物級(jí)別為二級(jí)，堤高7.4 m，堤頂寬度4.0 m，上游邊坡1∶2.0，下游邊坡1∶2.0，河道正常水位1.8 m，設(shè)計(jì)洪水位5.1 m。見圖1。

圖1　均質(zhì)土堤體型圖（單位：m）

2.2計(jì)算參數(shù)

邊坡為均質(zhì)黏土邊坡，黏土填筑容重19.0 kN/ m3，黏聚力15 kPa，內(nèi)摩擦角18°，孔隙率為0.4，飽和含水度0.4 m3/m3，殘余含水度為0.16 m3/m3，滲透系數(shù)為1×10-6m/s。

假設(shè)河道水位是均勻下降的，模擬設(shè)計(jì)洪水在一定時(shí)間段內(nèi)由設(shè)計(jì)洪水位下降到正常水位的滲流過(guò)程。

2.3計(jì)算結(jié)果

2.3.1水位驟降對(duì)滲流的影響

河道水位下降速度較快，但是堤防的滲透系數(shù)較小，造成堤防內(nèi)上游側(cè)飽和土壤中的水并沒有隨之迅速排出，造成滲流變化滯后于河道水位變化，在坡內(nèi)維持較高的浸潤(rùn)線。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，堤防內(nèi)的浸潤(rùn)線逐漸降落，最終與河道水位持平。在浸潤(rùn)線降落的這段時(shí)間內(nèi)，堤防上游坡形成流向上游的滲流。河道水位在水位變化周期T=24 h和T=48 h內(nèi)從設(shè)計(jì)洪水位勻速至正常水位時(shí)，浸潤(rùn)線隨時(shí)間變化情況見圖2（虛線為T=24 h的浸潤(rùn)線情況，實(shí)線為T=48 h的浸潤(rùn)線情況）。

圖2　浸潤(rùn)線變化對(duì)比曲線圖（長(zhǎng)度單位：m）

從圖2可以看出，浸潤(rùn)線變化明顯滯后于河道水位變化，呈現(xiàn)上凸的形狀，T=24 h的浸潤(rùn)線變化幅度大于T=48 h。隨著滲徑的延長(zhǎng)，中下游側(cè)浸潤(rùn)線變化并不明顯。

2.3.2水位驟降對(duì)穩(wěn)定的影響

在河道水位下降的過(guò)程中，超孔隙水壓力和流向河道的逆向滲流對(duì)堤防上游側(cè)的穩(wěn)定不利。河道水位降落過(guò)程中的上游坡安全系數(shù)詳見表1。從表中可以看出，隨著河道水位的下降，上游側(cè)邊坡的安全系數(shù)逐漸減小，至上游側(cè)水位降至正常水位時(shí)安全系數(shù)最小，然后隨著浸潤(rùn)線的降低，安全系數(shù)逐漸加大直至穩(wěn)定邊坡的安全系數(shù)。

表1　迎水面邊坡安全系數(shù)

圖3給出了在設(shè)計(jì)洪水位（h=5.1 m）、正常水位（h=1.8 m）穩(wěn)定滲流工況和河道水位驟降至正常水位（T=48 h和T=24h）工況下的堤防上游側(cè)邊坡安全系數(shù)和滑弧。從圖可以看出，在設(shè)計(jì)洪水位和正常蓄水位穩(wěn)定滲流工況下，上游堤坡安全系數(shù)為2.272和1.701；T=48 h工況下，安全系數(shù)最小為1.565；T=24 h工況下，安全系數(shù)最小為1.331，安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的最小值1.20，堤坡安全。考慮到堤坡較長(zhǎng)，試驗(yàn)資料代表性有限，而且存在施工質(zhì)量不均一的情況，故堤前水位由設(shè)計(jì)水位驟降至正常蓄水位的時(shí)間應(yīng)控制在不小于48 h。

圖3　4個(gè)工況下堤防上游側(cè)滑弧和安全系數(shù)圖

2.4處理措施

2.4.1下游加排水棱體

堤防不同于均質(zhì)土壩，水頭較低，堤體較薄，采取人工措施對(duì)浸潤(rùn)線的控制較容易。本次計(jì)算的堤內(nèi)浸潤(rùn)線較平緩，而且下游溢出點(diǎn)較高，如果下游設(shè)置排水，可有效降低浸潤(rùn)線，不僅對(duì)下游邊坡有利，而且對(duì)上游邊坡也會(huì)產(chǎn)生一定的有利影響。

本文考慮下游設(shè)置1.5 m長(zhǎng)的排水褥墊。比較在T=48 h水位驟降工況下，設(shè)置排水褥墊的浸潤(rùn)線與不設(shè)置排水褥墊的浸潤(rùn)線變化情況。設(shè)置褥墊排水后，堤內(nèi)浸潤(rùn)線整體下降，尤其在中下游側(cè)下降明顯，安全系數(shù)比較詳見表1。從表中可以看出，下游增加棱體排水后，上游側(cè)邊坡的安全系數(shù)有較小的增加，但影響不大。

2.4.2采用滲透系數(shù)較高的填筑料

滲透系數(shù)k=1×10-5m/s，其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)計(jì)洪水在T=24 h和T=48 h時(shí)間內(nèi)由設(shè)計(jì)洪水位下降到正常水位的過(guò)程中，堤防的浸潤(rùn)線變化情況和同等水頭下穩(wěn)定滲流的浸潤(rùn)線比較見圖4和圖5（其中：實(shí)線為水位驟降工況，虛線為穩(wěn)定滲流工況）。從圖可以看出，水位驟降工況下浸潤(rùn)線變化略滯后于穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線，但是沒有呈現(xiàn)明顯上凸的形狀，浸潤(rùn)線整體較平穩(wěn)。說(shuō)明堤防在滲透系數(shù)k=1×10-5m/s的情況下，土壤的滲透能力加大，在河道水位下降時(shí)，上游浸潤(rùn)線也能較快下降，對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響不大。

圖4　浸潤(rùn)線變化曲線圖（k=1×10-5m/s，T=24 h）（單位：m）

圖5　浸潤(rùn)線變化曲線圖（k=1×10-5m/s，T=48 h）（單位：m）

堤防在河道各個(gè)水位高程下的穩(wěn)定滲流和河道水位驟降至對(duì)應(yīng)水位時(shí)的不穩(wěn)定滲流的上游面安全系數(shù)比較詳見表2。從表中可以看出，兩者的安全系數(shù)相差較小。說(shuō)明滲透系數(shù)k=1×10-5m/s時(shí)，水位驟降對(duì)堤防上游邊坡影響較小。

表2　穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流下堤防迎水面邊坡安全系數(shù)

3　結(jié)語(yǔ)

（1）河道水位驟降時(shí)，堤防內(nèi)的浸潤(rùn)線滯后于河道水位的變化，形成流向上游的滲流和超孔隙水壓力，不利于上游側(cè)邊坡的穩(wěn)定，堤防需根據(jù)邊坡穩(wěn)定情況確定出合適的水位下降時(shí)間過(guò)程。

（2）堤防下游排水棱體可以有效降低堤防內(nèi)的浸潤(rùn)線，但是對(duì)上游邊坡的穩(wěn)定影響較小，可以忽略不計(jì)。

（3）堤防內(nèi)填土的滲透系數(shù)k≤1×10-5m/s時(shí)，河道水位下降時(shí)，堤防上游側(cè)的水能較快排出，上游水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響較小。

參考文獻(xiàn)

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［2］王學(xué)武，許尚杰，黨發(fā)寧，等.水位驟降時(shí)的非飽和壩坡穩(wěn)定分析［J］.巖土力學(xué)，2010，31（9）：2 760-2 764.

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［6］王亞月.水位下降對(duì)均質(zhì)土石壩穩(wěn)定的影響分析 ［D］.石河子：石河子大學(xué)，2012.

朱濤男工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

訾娟女工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

范瑞明男工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

任堂男工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

中圖分類號(hào)TV223.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文章編號(hào)1007-6980（2016）01-0017-03

作者簡(jiǎn)介

收稿日期（2015-11-18）