河岸崩塌土壓力臨界值計算方法研究

馬東曉,劉 澤,王海林

(1.黃河河口管理局, 山東 東營 257000; 2.濱州黃河河務(wù)局, 山東 濱州 256600)

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河岸崩塌土壓力臨界值計算方法研究

馬東曉1,劉 澤1,王海林2

(1.黃河河口管理局, 山東 東營 257000; 2.濱州黃河河務(wù)局, 山東 濱州 256600)

河岸崩塌破壞是河道治理及水環(huán)境治理方面面臨的一個非常重要的工程地質(zhì)問題,嚴(yán)重威脅兩岸人民的生命及財產(chǎn)安全,如何提前做出判斷,將為避險搶險提供有利時間,能有效減少損失。采用預(yù)埋振弦式土壓力盒的方法對河岸的土壓力進(jìn)行研究,考慮河岸坍塌過程中的土壓力變化,利用滲流作用下邊坡自穩(wěn)臨界高度,結(jié)合庫侖土壓力定理得到河岸土壓力臨界值的計算方法,得到河岸坍塌的土壓力臨界值,為河岸坍塌預(yù)警提供一些有價值的參考。

河岸坍塌;飽和土;壓力;臨界值

河岸崩塌破壞是河道治理及水環(huán)境治理方面面臨的一個非常重要的工程地質(zhì)問題[1],嚴(yán)重威脅著兩岸人民的生命及財產(chǎn)安全,如何確定河岸崩塌臨界值對于應(yīng)對河岸崩塌有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價值。河岸崩塌是土質(zhì)變化(內(nèi)因)和河流侵蝕(外因)等多種因素造成的[2]。關(guān)于河岸崩塌機(jī)理方面的研究較為廣泛,如黃本勝等[3]考慮到黏性河岸可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)及平面崩塌,將概率分析方法應(yīng)用到崩塌縱向延伸。宗全利等[4]采用荊江河岸材料,進(jìn)行崩塌過程中的概化水槽試驗(yàn),分析了崩塌過程及機(jī)理。夏軍強(qiáng)等[5]針對河岸崩塌分析,提出了二元結(jié)構(gòu)河岸發(fā)生繞軸崩塌情況下的河岸穩(wěn)定性計算方法。趙志達(dá)[6]采用卡丘金預(yù)測方法,對河岸坍塌高度進(jìn)行了預(yù)測。假冬冬[7]基于河岸坍塌力學(xué)機(jī)制,建立了黏性河岸及二元結(jié)構(gòu)河岸的坍塌模型。他們的研究工作多集中于河岸崩塌機(jī)理分析及數(shù)值模擬。當(dāng)岸坡土黏性較大,河岸淘刷或河床下切,河岸較陡或呈直立狀態(tài),河岸內(nèi)部的應(yīng)力場將會發(fā)生一定的變化,河岸穩(wěn)定性也將發(fā)生變化。河岸內(nèi)部應(yīng)力場的變化類似于擋土墻主動應(yīng)力場的變化特點(diǎn),河床沖刷下切后的河岸崩塌機(jī)理可以利用擋土墻的破壞原理進(jìn)行解釋。本文中采用預(yù)埋振弦式土壓力盒的方法對河岸的土壓力進(jìn)行研究,考慮河岸坍塌過程中的土壓力變化,利用滲流作用下邊坡自穩(wěn)臨界高度,結(jié)合庫侖土壓力定理得到河岸土壓力臨界值的計算方法,提出河岸坍塌的土壓力臨界值,為河岸坍塌預(yù)警提供一些有價值的參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本次試驗(yàn)地點(diǎn)位于山東東營某段河岸。勘察資料揭示該河道處于沖洪積平原地區(qū),主要包含淤泥、亞黏土及黏土等土層,河岸土層基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。主要是在人工填土層、淤泥層及黏土層進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 數(shù)值模擬

有限元模擬分析采用ABAQUS軟件,利用有限元強(qiáng)度折減法對河岸邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。考慮岸坡后緣水平,土體為單層均質(zhì)各向同性的黏性土。根據(jù)一般土體的物理力學(xué)性質(zhì)定義此處河岸土體參數(shù),密度為1.9 g/cm3,彈性模量為10 MPa,泊松比為0.25,內(nèi)摩擦角為21°,黏聚力為20 kPa,土體采用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。取定模型高度為15 m,長度為15 m,寬度為15 m,取定上表面和河岸臨空面為活動面,其他面為固定邊界,建立三維地質(zhì)模型。模型中定義岸坡重力荷載時采用gravity load載荷類型,采用六面體掃掠方式劃分網(wǎng)格模型。

表1 河岸土的物理力學(xué)參數(shù)

1.3 原位監(jiān)測

為了研究河岸崩塌土壓力臨界值,本次試驗(yàn)對擬研究河岸采用預(yù)埋壓力盒的方法進(jìn)行監(jiān)測,試驗(yàn)采用長沙翔昊生產(chǎn)的XHX-403振弦式土壓力盒,見圖1(a)。具體試驗(yàn)過程為:

(1) 為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,試驗(yàn)前需要對壓力盒進(jìn)行標(biāo)定;

(2) 選取預(yù)埋地點(diǎn),并利用鉆機(jī)鉆孔,鉆孔直徑為15 cm,鉆孔深度分別為15、12、9、6 m;

(3) 鉆孔完畢后將壓力盒用尼龍布包裹,然后將壓力盒綁扎在鉆桿上,保持壓力盒正面朝上并與地面保持平行,見圖1(b);

(4) 將壓力盒放入預(yù)設(shè)位置(15、12、9、6 m),并結(jié)合土層深度分層填入相應(yīng)土球,抽出鉆桿,繼續(xù)分層回填土球;

(5) 在自然條件下靜置一周,保證回填的土球沉降完畢,然后測試土壓力值變化及坍塌高度測量。

圖1 壓力盒型號及壓力盒位置

2 結(jié)果及其分析

2.1 河岸變化情況

進(jìn)行試驗(yàn)的土層以黏土為主,且試驗(yàn)時間為多水期,河岸在監(jiān)測過程中由于河水不斷的沖刷發(fā)生了坍塌。開始階段河岸由于河水的下切侵蝕慢慢將河岸腹部掏空,土體自身由于水分不斷侵入而發(fā)生土質(zhì)的變化,主要是土體內(nèi)部的含水量逐漸變大,造成了土顆粒之間的膠結(jié)力及吸力逐漸降低,掏空部分的上部土體由于重力的作用而不斷下落,造成了上部土體全部流失,隨著河水的繼續(xù)侵蝕,河岸后緣出現(xiàn)了拉裂縫,裂縫的寬度隨著侵蝕的時間不斷增加,最后后緣的土體發(fā)生了失穩(wěn)破壞即坍塌,落入水中被水帶走,具體的侵蝕過程見圖2。

圖2 河岸形狀變化

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

本次ABAQUS有限元模擬以數(shù)值計算不收斂為邊坡失穩(wěn)判據(jù)。對岸坡在無水流作用下的自重應(yīng)力場進(jìn)行分析,自重應(yīng)力場如圖3所示。從圖3中可以看出,在邊坡坡頂,隨著深度加深,豎直應(yīng)力(自重應(yīng)力)呈增大狀態(tài),主要原因是河岸在整個過程中處于一種吸水狀態(tài),河水源源不斷地沿著微縫隙滲入土中,含水率的增大造成了土體整體相對重度的提高,即在豎直方向上變相提供了一個豎向荷載。岸坡的最大水平位移在岸坡與河床的中下部出現(xiàn)。最大的正水平位移則在坡頂點(diǎn)處出現(xiàn)。同時,可以看出,最大的沉降(豎向位移)出現(xiàn)在岸坡的后緣,且呈現(xiàn)從坡頂?shù)狡碌滓来芜f減的趨勢。岸坡的最大滲流流速在坡腳附近,所以坡腳是滲流作用影響最大的部位也是最容易出現(xiàn)破壞的部位。從水流沖刷的位移云圖可以看出,岸坡的最大負(fù)水平位移集中于岸坡的坡腳處,隨著負(fù)水平位移的增大,使得坡腳發(fā)生局部滑動破壞的可能性增加,導(dǎo)致岸坡整體失穩(wěn)。

圖3 河岸在水流沖刷過程中的應(yīng)力與位移變化

2.3 土壓力變化情況

本次進(jìn)行的原位土壓力監(jiān)測的周期為14 d,利用智能讀數(shù)儀(SZZX-ZHX型)每天讀取數(shù)據(jù)兩次。根據(jù)標(biāo)定系數(shù)將讀數(shù)儀中的位移變形量轉(zhuǎn)變成壓力值,4個壓力盒的壓力變化情況如圖4所示。隨著監(jiān)測時間增加,土壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在監(jiān)測的前三天,埋置深度較淺的壓力盒監(jiān)測到的數(shù)據(jù)變化趨勢較緩;隨著埋置深度增加,壓力盒監(jiān)測到的數(shù)據(jù)變化較為明顯,主要原因是河水的侵蝕使土中的水分增加,土體的整體重度提高,造成土壓力增大。而隨著監(jiān)測時間增加,河岸遭到河水的侵蝕,部分土體被帶走,但是土壓力的整體值未減小太多,主要是因?yàn)榇藭r土體之間的裂縫慢慢增大,更多的水分滲入土中造成土體的重度增大。當(dāng)帶走的土體達(dá)到一定程度時,岸坡發(fā)生破壞,也就是曲線的第二個拐點(diǎn)處,大量的土體掉入河中被帶走,此時的土壓力值變化較為明顯。

圖4 土壓力監(jiān)測值

3 討 論

從土壓力監(jiān)測結(jié)果可以看出,隨著監(jiān)測時間增加,土壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這種變化主要與土體的流失及土體相對重度的增加有關(guān)。當(dāng)監(jiān)測時間達(dá)到第二個拐點(diǎn)時土壓力的變化較為劇烈,主要是河岸損失的土體遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滲入的水分,即河岸在此時發(fā)生坍塌,因此此時坍塌土體的高度為臨界高度,此時的土壓力值是臨界土壓力值。4種埋置深度情況下的臨界土壓力為144、112、78、41 kPa。這種差異主要是由于土壓力的埋置深度不一樣,造成壓力盒上部的土體由于重度不同及內(nèi)摩擦角不同,使得底部壓力不同。為了求得河岸坍塌的臨界土壓力值,根據(jù)滲流作用下邊坡自穩(wěn)臨界高度[8],結(jié)合庫侖土壓力定理得到:

(1)

式中,c為坍塌上部土體的黏聚力;φ為坍塌上部土體的內(nèi)摩擦角;α為坍塌的河岸角度。

通過代入表1中上層土的力學(xué)指標(biāo),驗(yàn)證得到河岸岸坡的臨界土壓力值,見表2。得到的監(jiān)測值與計算值較接近。因此可以利用公式(1)計算對河岸臨界土壓力。

表2 臨界土壓力值 kPa

4 結(jié) 論

(1) 對于以黏土為主的河岸,在河水不斷沖刷作用下,岸坡經(jīng)歷腹部掏空、掏空部分的上部土體掉落、后緣拉張裂縫出現(xiàn)、后緣土體失穩(wěn)破壞的過程。

(2) 隨著河水的侵蝕作用,壓力盒土壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)帶走的土體達(dá)到一定程度時,岸坡發(fā)生破壞,大量的土體掉入河中被帶走,此時的土壓力值變化較明顯。

(3) 利用滲流作用下邊坡自穩(wěn)臨界高度,結(jié)合庫侖土壓力定理得到河岸土壓力的臨界值。

[1] 蔣澤鋒,朱大勇,沈銀斌,等.水流沖刷過程中的邊坡臨界滑動場及河岸崩塌問題研究[J].巖土力學(xué),2015(S2):21-28.

[2] 王延貴,匡尚富.河岸淘刷及其對河岸崩塌的影響[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報,2005(4):251-257.

[3] 黃本勝,白玉川,萬艷春.河岸崩塌機(jī)理的理論模式及其計算[J].水利學(xué)報,2002(9):49-54.

[4] 宗全利,夏軍強(qiáng),鄧珊珊,等.荊江段二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌機(jī)理試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報,2016(5):955- 969.

[5] 夏軍強(qiáng),宗全利,許全喜,等.下荊江二元結(jié)構(gòu)河岸土體特性及崩岸機(jī)理[J].水科學(xué)進(jìn)展,2013(6):810- 820.

[6] 趙志達(dá).某污水處理廠河岸邊坡坍塌預(yù)測分析[J].中國水運(yùn),2016,16(3):331-332.

[7] 假冬冬.非均質(zhì)河岸河道擺動的三維數(shù)值模擬[D].北京：清華大學(xué),2010.

[8] 楊育文,周志立,蔣濤,等.滲流作用下邊坡自穩(wěn)臨界高度計算[J].長江科學(xué)院院報,2013,30(10):54-57.

[責(zé)任編輯] 葛 泉

2017-03-15

馬東曉(1983—),男,山東東營人,黃河河口管理局工程師,主要從事計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.02.011

TU432

A

1673-5935(2017)02- 0038- 04