基于Geo-Studio的某河道水位降落期堤防穩(wěn)定性研究

常廣品

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200061)

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，城市防洪的重要性也更加凸顯，保證在發(fā)揮防洪除澇功能時河道的安全運(yùn)行值得我們進(jìn)行深入研究。河道堤防穩(wěn)定性是城市防洪安全中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。具有防洪功能的河道在行洪時期水位變化較快，容易對堤防邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，需要通過閘壩的合理調(diào)度運(yùn)行來保證安全水位降落。根據(jù)艾秀峰、王小敏等人的研究成果，水位驟降易引起滑坡的發(fā)生。韓雷等的研究成果也表明，當(dāng)河道水位降落速度增大時，堤防邊坡穩(wěn)定性會變差。當(dāng)河道堤防斷面型式及筑堤土質(zhì)等條件不變時，堤防邊坡穩(wěn)定性主要與河道水位變動速率有關(guān)。

文章以河南省某市的防洪河道小洪河為研究對象，采用有限元分析軟件Geo-Studio，針對河道中某特定堤防斷面建立計算模型，通過Seep/W模塊計算水位降落過程中不同時刻浸潤線的位置，通過Slope/W模塊計算對應(yīng)時刻堤防邊坡穩(wěn)定性，對河道水位降落過程中的堤防穩(wěn)定性進(jìn)行動態(tài)分析。通過研究不同的河道水位降落速度對堤防穩(wěn)定性的影響，模擬適合該工程的既安全又高效的水位降落過程，制定相應(yīng)的閘壩運(yùn)行調(diào)度方案。

1 工程概況

小洪河是河南省某市的防洪河道，城區(qū)段長約6.6km，采用鋼壩閘進(jìn)行蓄水，平均水深為6.50m。該河道經(jīng)過綜合整治后，防洪能力大為提高。完工后進(jìn)行了長達(dá)30d的蓄水試運(yùn)行，試運(yùn)行結(jié)束放空河道水體過程中部分岸段堤防發(fā)生滑坡破壞，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場滑坡破壞

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，4處滑坡均發(fā)生在陡坡段，并且存在回填土方貼坡加固現(xiàn)象。常年洪水沖刷導(dǎo)致原河道呈深“V”字形，部分迎水側(cè)堤防坡度較陡。堤防迎水側(cè)邊坡在58.00m高程位置設(shè)3m寬的親水平臺，親水平臺上下邊坡緩坡段為1∶2.0。河道水位12h由57.50m下降至51.00m，水位降落速度過快形成水位驟降條件。初步分析水位降落速度過快結(jié)合堤防邊坡較陡導(dǎo)致了滑坡的發(fā)生。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算理論

根據(jù)李茜莎、譚雅文等的相關(guān)研究，文章計算模型采用的計算理論主要是非飽和滲流理論和非飽和抗剪強(qiáng)度理論，相關(guān)理論公式如下：

(1)非飽和滲流的控制方程

(1)

式中，kr—相對透水率；kij—飽和滲透張量；ki3—kij中j=3時的滲透張量；h—壓力水頭；Q—匯源；C—容水度；θ—壓力水頭函數(shù)；e—孔隙率；S—單位貯水量；xi，xj—位置參數(shù)；t—時間。

(2)土體強(qiáng)度計算公式

s=c′+σntanφ′+(ua+uw)tanφb

(2)

式中，c′、φ′—有效強(qiáng)度參數(shù)；σn—法向的總應(yīng)力和孔隙氣壓力之差；ua—孔隙氣壓力；uw—孔隙水壓力；φb—負(fù)孔隙水壓力提高的強(qiáng)度參數(shù)。

2.2 計算模型及土體參數(shù)

文章只對試運(yùn)行過程中發(fā)生滑坡破壞的堤防斷面建立有限元計算模型進(jìn)行滲流分析和邊坡穩(wěn)定計算，模型如圖2所示。初始條件為穩(wěn)定滲流期，河道水位為57.50m，堤內(nèi)水位為59.00m。根據(jù)不同計算工況，先由Seep/W模塊計算出河道水位降落過程中不同時刻堤防內(nèi)浸潤線位置，然后倒入Slope/W模塊進(jìn)行不同時刻堤防穩(wěn)定性計算。兩個模塊聯(lián)合應(yīng)用的最大好處就是可以對河道水位降落過程中堤防邊坡進(jìn)行動態(tài)穩(wěn)定計算分析。

圖2 計算模型

該模型網(wǎng)格劃分如圖3所示，網(wǎng)格尺寸為1.0m，模型共劃分為584個網(wǎng)格單元，636個節(jié)點(diǎn)。

圖3 模型網(wǎng)格

2.3 土體參數(shù)

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘察資料，河道堤防土層共分為5層，其中貼坡回填土為土層⑥，相關(guān)土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.4 計算工況

該模型模擬計算了河道堤防經(jīng)過30d長期浸泡后，河道水位由57.50m降至51.00m降落過程中孔隙水壓力的變化情況及相應(yīng)堤防邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)韓雷等的研究，水位驟降的判斷標(biāo)準(zhǔn)為K/uv<0.1，其中K為滲透系數(shù)，u為給水度，v為水位降速。小洪河堤防筑堤回填土滲透系數(shù)K=0.0001cm/s，給水度u按0.07考慮，當(dāng)水位降落速度大于0.51m/h時即形成水位驟降。結(jié)合水位驟降定義和該工程實(shí)際運(yùn)行調(diào)度需要，計算模型共分為8個工況，工況1至工況7假定排空河道水體所需時間分別為6、12、24、48、72、144、288h，工況8對河道水位降落過程進(jìn)行模擬試算。工況1至工況7對應(yīng)的河道水位降速分別是1、0.5、0.25、0.125、0.09、0.045、0.023m/h。

3 計算結(jié)果分析

3.1 Seep/W模塊滲流分析

通過對比工況1至工況7河道內(nèi)水體排空后堤防浸潤線位置發(fā)現(xiàn)，河道內(nèi)水位降速越慢，河道水體排空時堤防內(nèi)浸潤線位置越低，如圖4所示。

圖4 工況1至工況7水位降落后浸潤線位置

3.2 Slope/W模塊邊坡穩(wěn)定分析

3.2.1不同工況水位降落后安全系數(shù)對比

該工程堤防級別為4級，根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》第3.2.3條，正常運(yùn)用條件下堤防邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.15。

由圖5可知，水位驟降工況1和工況2河道水體排空后堤防邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.03和1.047，均小于1.15，說明水位驟降對堤防穩(wěn)定不利。非水位驟降工況3～工況6的堤防穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.068、1.094、1.135和1.147，也都小于1.15，說明在非水位驟降情況下，水位降落速度較快時，依然會出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。只有工況7，當(dāng)水位降落時間達(dá)到288h，水位降落速度為0.023m/h時，堤防邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.15。通過對比發(fā)現(xiàn)，水位降落速度越慢，堤防邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)越大，越有利于堤防穩(wěn)定。

圖5 工況1至工況7安全系數(shù)

3.2.2不同工況水位降落過程中安全系數(shù)分析

選擇具有代表性的工況2～工況5，對其水位降落過程中安全系數(shù)的變化進(jìn)行分析。由圖6可見，工況2在水位降落至6.5h時，安全系數(shù)開始小于1.15，此時對應(yīng)河道水深為3.0m；工況3在水位降落至13.5h時，安全系數(shù)開始小于1.15，此時對應(yīng)河道水深為3.0m；工況4在水位降落至27h時，安全系數(shù)開始小于1.15，此時對應(yīng)河道水深為3.0m；工況5在水位降落至46h時，安全系數(shù)開始小于1.15，此時對應(yīng)河道水深為3.0m。由此可見，對于該計算模型而言，當(dāng)河道水位降落速度較快時，均在河道水深小于3.0m時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.15。同時，工況2～工況5分別在9、17、37、50h后安全系數(shù)不再變小，對應(yīng)水深均為1.0m。不同工況下當(dāng)河道水深小于1.0m時，河道水位不再對堤防邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

圖6 工況2～工況5安全系數(shù)變化過程

3.2.3最小安全系數(shù)對應(yīng)滑移面

對具有代表性的工況5所有滑弧進(jìn)行分析，最小安全系數(shù)對應(yīng)的滑移面如圖7所示。由此可見，滑移面出口點(diǎn)位置與河道水深1.0m時水面線位置重合，當(dāng)河道水深小于10m時，不會進(jìn)一步降低堤防邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

圖7 工況5最小安全系數(shù)對應(yīng)滑移面

3.2.4安全水位降落過程分析

工況8經(jīng)過大量試算，對更多的水位降落過程進(jìn)行對比分析，找到了用時短又安全的水位降落過程，如圖8所示。該水位降落過程共分為4個階段，分別是水位驟降階段、水位不變孔隙水壓力消散階段、水位緩降階段和尾水排除階段。該水位降落過程可以用180h排除河道水體，而不發(fā)生邊坡滑移破壞。相對于288h的持續(xù)緩慢水位降落過程，節(jié)約108h，做到既安全又高效。完整的水位降落過程如下：水位驟降階段河道水位在24h內(nèi)水深由6.50m降至3.0m；水位不變孔隙水壓力消散階段河道水位維持3.0m不變，進(jìn)行24h的孔隙水壓力消散；水位緩降階段河道內(nèi)水深在不小于120h的時間內(nèi)由3.0m降至1.0m；尾水排除階段最后1.0m的水深用12h排完。相應(yīng)水位降落過程中堤防邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如圖9所示，整個水位降落過程安全系數(shù)均大于1.15。

圖8 工況8水位降落過程

圖9 工況8安全系數(shù)變化過程

4 結(jié)語

文章基于有限元分析軟件Geo-Studio對小洪河堤防在河道水位下降過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計算研究。通過對8個工況的對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)水位驟降不利于堤防邊坡穩(wěn)定，堤防邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)隨河道內(nèi)水位降速增加而變小。

(2)進(jìn)行快速水位降落時，河道內(nèi)應(yīng)保留不低于3m的安全水深。

(3)需要快速排空河道水體時，水位降落過程需分為4個階段：水位驟降階段、水位不變孔隙水壓力消散階段、水位緩降階段、尾水排除階段。