水流沖蝕作用下的河岸邊坡穩(wěn)定性分析

摘要：隨著我國(guó)水利工程建設(shè)的飛速發(fā)展，形成了大量新河岸，新河岸土體極易被水流沖蝕流失，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。本文通過(guò)ABAQUS分析水流沖蝕作用下粘性土河岸邊坡穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)河岸邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著水流沖蝕時(shí)間而下降;隨著沖蝕時(shí)間的推移，河岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)下降明顯加快。本文通過(guò)水流沖蝕作用下河岸邊坡穩(wěn)定性研究將對(duì)河岸邊坡的防護(hù)與監(jiān)測(cè)起到現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

Abstract： With the rapid development of the construction of water conservancy projects in China， a large number of new river banks have been formed. The new river bank soil is easily eroded by water flow， causing geological disasters and posing a serious threat to the safety of people's lives and property.? In this paper， the ABAQUS is used to analyze the change law of the stability of the river bank slope under the action of water erosion， and it is found that the stability coefficient of the river bank slope decreases with the current erosion time; as the erosion time passes， the decline in the stability coefficient of the river bank slope has accelerated significantly. In this paper， the study on the stability of river bank slopes under the action of water flow erosion will have a practical guiding significance for the protection and monitoring of river bank slopes.

關(guān)鍵詞：粘性土;河岸邊坡;水流沖蝕;穩(wěn)定性

Key words： clay;river bank slope;erosion;stability

中圖分類號(hào)：TV223? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）21-0238-03

1? 研究背景

隨著我國(guó)大型水利工程的建設(shè)，河岸侵蝕成為近幾年的研究重點(diǎn)，盡管在這之前有不少學(xué)者[1-5]進(jìn)行過(guò)探索，但河岸侵蝕的研究仍任重道遠(yuǎn)。洪水季節(jié)，高流速水流對(duì)河岸邊坡沖蝕破壞嚴(yán)重，并帶走大量土體，致使河岸邊坡形態(tài)隨時(shí)間發(fā)生變化，導(dǎo)致河岸邊坡穩(wěn)定性發(fā)生變化，準(zhǔn)確分析洪水沖蝕作用下河岸邊坡穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化規(guī)律能預(yù)防洪水災(zāi)害的發(fā)生，保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2? 水流沖蝕作用下河岸邊坡失穩(wěn)機(jī)理

當(dāng)水流流速大于土體的起動(dòng)流速時(shí)，水流的切應(yīng)力大于土體的起動(dòng)切應(yīng)力，土體表面迅速?zèng)_蝕破壞[6]，土粒微團(tuán)離開土體骨架被水流帶走，則河岸邊坡在水流沖蝕作用下隨時(shí)間變得陡峭，臨空面增加，使局部區(qū)域土體穩(wěn)定性極具下降，局部區(qū)域土體垮塌，從而改變整個(gè)邊坡的受力狀態(tài)，致使河岸邊坡穩(wěn)定性降低。

3? 水流沖蝕作用下的河岸邊坡穩(wěn)定性分析

本文將通過(guò)ABAQUS分析水流沖蝕作用下粘性土河岸邊坡穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)河岸邊坡進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1所示，由于河岸邊坡大多為粘性土，因此本文假設(shè)河岸邊坡為均質(zhì)粘性土體，在水流的作用下河岸邊坡沖蝕破壞，隨著時(shí)間的流逝河岸邊坡迎水面土體逐步流失，不同的時(shí)刻對(duì)應(yīng)不同的河岸形態(tài)，因而河岸邊坡的穩(wěn)定性也隨之發(fā)生變化。

3.1 河岸邊坡數(shù)值模型建立

本文目的在于揭示水流沖蝕作用對(duì)河岸邊坡穩(wěn)定性的影響，通過(guò)計(jì)算確定河岸邊坡土體隨著水流沖蝕粘土顆粒流失量對(duì)邊坡空間形態(tài)的改變量，接著通過(guò)ABAQUS中邊坡穩(wěn)定性分析模塊確定某一時(shí)刻的穩(wěn)定系數(shù)。根據(jù)河岸邊坡空間形態(tài)與組成假設(shè)邊坡形式如圖1所示，河岸邊坡粘性土的物理參數(shù)如表1所示，對(duì)粘性土邊坡建立數(shù)值模型如圖2～圖5，粘性土邊坡為長(zhǎng)10m，高10m，坡角45°的均質(zhì)粘性土坡。本文假設(shè)水流沖蝕時(shí)間分別0d、1d、2d、3d，通過(guò)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的邊坡形式，河岸邊坡沖蝕工況如表2所示，控制邊坡土體的起動(dòng)流速不變，控制水流流速不變，分析河岸邊坡穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖2為粘性土河岸邊坡沖蝕前的有限元模型，共劃分結(jié)點(diǎn)8073個(gè)，單元7725個(gè);圖3為粘性土邊坡沖蝕1天后的有限元模型，共劃分結(jié)點(diǎn)7908個(gè)，單元7601個(gè);圖4為粘性土邊坡沖蝕2天后的有限元模型，共劃分結(jié)點(diǎn)7730個(gè)，單元7466個(gè);圖5為粘性土邊坡沖蝕3天后的有限元模型，共劃分結(jié)點(diǎn)7551個(gè)，單元7332個(gè)。

3.2 河岸邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

邊坡穩(wěn)定性分析一直是巖土工程中的重要研究領(lǐng)域。目前對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析的主要方法分為三大類，即強(qiáng)度折減法、極限平衡法以及有限元分析方法。本文將采用強(qiáng)度折減法分析不同沖蝕條件下河岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化情況，如圖2～圖5所示，對(duì)河岸邊坡進(jìn)行建模分析;強(qiáng)度折減法是在外荷載保持不變的情況下，邊坡內(nèi)土體所能提供的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力之比。目前判斷邊坡土體達(dá)到臨界破壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要有三種：第一種以數(shù)值計(jì)算收斂與否作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，與有限元的算法有關(guān);第二種以特征部位的位移拐點(diǎn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);第三種以是否形成連續(xù)的貫通區(qū)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

本文采用強(qiáng)度折減法，以特征部位的位移拐點(diǎn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如圖2～圖5所示，通過(guò)A點(diǎn)的水平位移拐點(diǎn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示，根據(jù)不同沖蝕條件對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響分析發(fā)現(xiàn)，在河岸邊坡粘性土起動(dòng)流速和水流流速不變的情況下，分別沖蝕河岸邊坡0d、1d、2d、3d后，河岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.18、1.15、1.08、0.97。說(shuō)明了在相同水流流速情況下，河岸邊坡受到水流沖蝕后穩(wěn)定性下降，隨著沖蝕時(shí)間的推移，河岸土體沖蝕流失形成的迎水面越來(lái)越陡，導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)下降明顯加快。粘性土河岸在洪水季節(jié)沖蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致河岸邊坡坡腳土顆粒大量流失，致使河岸邊坡出現(xiàn)陡峭的臨空面，導(dǎo)致河岸邊坡內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)改變，從而穩(wěn)定性明顯下降，因此，在洪水季節(jié)加強(qiáng)河岸邊坡的防護(hù)尤為重要。

4? 主要結(jié)論

①本文對(duì)河岸邊坡進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過(guò)ABAQUS建模分析，假設(shè)河岸邊坡為均質(zhì)粘性土體，在水流的沖蝕破壞作用下，河岸邊坡迎水面土體隨著沖蝕時(shí)間逐步流失，不同的時(shí)刻對(duì)應(yīng)不同的河岸形態(tài)，河岸邊坡的穩(wěn)定性隨著水流沖蝕而下降;隨著沖蝕時(shí)間的推移，河岸土體沖蝕流失形成的迎水面越來(lái)越陡，導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)下降明顯加快。

②本文通過(guò)水流沖蝕作用下河岸邊坡穩(wěn)定性研究能較好預(yù)測(cè)水流沖蝕作用下河岸邊坡穩(wěn)定性，將對(duì)洪水引起的地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)與監(jiān)測(cè)起到現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

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