河堤與塌岸巖土工程特性與穩(wěn)定性分析研究

鄒福建，張 楚，李洋洋，楊 寧

(1. 徐州市水利建筑設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221000；2. 江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司徐州分公司，江蘇 揚州 221000)

黃河故道的土堤問題是多方面的。毀滅性的洪水和季節(jié)性過多的降雨正在加速黃河故道土堤的破壞過程，每年都會增加對農(nóng)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施造成巨大的破壞可能性。在過去的幾十年里，黃河故道的土堤每年都面臨侵蝕、決口等問題。河堤主要的損壞原因可以分解為人類活動、溢流、侵蝕、滲漏和地基滑動[1- 3]。此外，施工期間的監(jiān)督不足導(dǎo)致土方工程質(zhì)量差，使用了不合適的施工材料、土壤結(jié)塊、土塊粉碎不徹底、土壤壓實不足、或表土層鋪設(shè)不足、使用劣質(zhì)材料、維護(hù)不足、河流遷移和公眾砍伐[4- 7]。在諸多原因中，設(shè)計方法和施工程序不當(dāng)是主要原因路堤破壞最重要的原因之一。土堤的穩(wěn)定性受河流或水庫附近水位升降過程中發(fā)生的滲流影響[8- 10]。然而，要解釋特定問題的失效現(xiàn)象，必須對材料行為有清楚的了解。為了獲得適當(dāng)?shù)睦斫?，一些研究人員已經(jīng)嘗試描述潛在的大規(guī)模破壞問題(如滑坡或含有有機物)的土壤的巖土性質(zhì)[11- 13]。在本項研究中，黃河故道的堤防破壞和河岸侵蝕問題已經(jīng)從穩(wěn)定性和巖土工程特性的因素方面進(jìn)行了研究。簡言之，本研究旨在調(diào)查黃河故道上段和黃河故道下段堤防材料的物理和機械性能，確定黃河故道河岸材料的巖土性質(zhì)，并闡明徐州范圍內(nèi)的黃河故道的河岸破壞機制，評估現(xiàn)有設(shè)計，通過一個實例分析路堤穩(wěn)定性的方法。

土壤樣本取自黃河故道上段右岸堤防的破碎部分和黃河故道下段侵蝕河岸。實驗室試驗在上海海洋大學(xué)。試驗包括粒度分析、顆粒密度、液限和塑限、壓實特性、固結(jié)、滲透性、直剪試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗。在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，對土壤進(jìn)行了分類。采用落差法測定了水的滲透系數(shù)滲透性，對不同含水率的試樣進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強度試驗。

1 材料和方法

基本物理性質(zhì)參數(shù)見表1。試驗結(jié)果表明，土壤的塑限和液限之間存在顯著差異。路堤土的塑性極限是指非塑性(NP)，其中河岸土的塑性極限為27%。從粒徑分布分析可知，路堤土的最大粒徑為425μm，有效粒徑為7.6μm，如圖1所示。據(jù)此，采用工程分類法將土壤劃分為細(xì)砂(SF)類。同樣，河岸土被劃分為低液限(ML)的粉土。

表1 土壤物理成分

圖1 土壤粒徑分布曲線圖

根據(jù)擊實試驗結(jié)果，在最佳含水量(Wopt)為21.2%時，河堤土(ES)和河岸土(RS)的最大干密度分別為1.59g/cm3和1.72g/cm3，如圖2所示。河堤土的滲透性和強度值隨含水量的增加而變化，如圖3所示。在含水量為24%時，滲透系數(shù)最小值為1.29×10-5cm/s，超過最佳含水量，接近液限(w=25.8%)。干側(cè)單位含水率變化時，滲透系數(shù)的變化幾乎比最小滲透系數(shù)大一個數(shù)量級。

圖2 河堤土壤和河岸土壤的壓實曲線

圖3 河堤土壤透水性和強度隨含水量變化圖

2 結(jié)果與討論

現(xiàn)實情況是，沙袋僅在洪水緊急情況下放置。但是，沙袋也在其他時間保護(hù)河岸坡面，防止雨水和徑流沖刷細(xì)顆粒物，同樣十分重要。在其他一些地方，預(yù)制混凝土塊被代替沙袋。但是，預(yù)制混凝土塊相對于沙袋非常昂貴，所以在某種程度上是使用范圍有限的。沙子是最便宜且容易獲得的材料。因此，沙袋的河岸、河堤應(yīng)用可能是堤壩防護(hù)的一種切實可行的方法。除沙袋外，薄層水泥復(fù)合材料可作為護(hù)坡措施。但是，要找到一個有效的、可持續(xù)的邊坡防護(hù)體系，還需要綜合研究其對邊坡穩(wěn)定性的影響。含水量對河岸土巖土性質(zhì)的影響如圖4所示。當(dāng)飽和度超過90%時，滲透率為3.5×10-7cm/s。通過直剪試驗，得到了抗剪強度參數(shù)黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(?)分別為153kPa和22°。

圖4 河岸土壤透水性和強度隨含水量變化圖

當(dāng)含水量為12.8%時，最大抗壓強度為280kPa，低于最佳含水量(16.45%)。但隨著含水量的增加，強度迅速下降，在含水量為22%時達(dá)到150kPa左右。在峰值后，隨著含水量增加10%，強度降低了46%。

圖5 河岸裂縫

根據(jù)現(xiàn)場觀測以及樣本材料的試驗結(jié)果，確定了研究區(qū)域黃河故道下段的塌岸機理。破壞與岸線后幾厘米至幾十厘米處的張力裂縫形成有關(guān)，如圖5所示。也有報道稱，在洪水退去期間，當(dāng)河流流速似乎很高時，會發(fā)生嚴(yán)重的塌岸。這種類型的破壞可以描述為板狀旋轉(zhuǎn)破壞，它包括2種機制，例如具有拉伸裂紋的平面破壞和涉及具有相同幾何形狀的破壞塊的傾倒。從巖土工程的角度來看，岸坡土的強度隨著含水率的增加而迅速降低。同時，滲透性也變得非常低(<1×10-6cm/s)，最終增加了材料的重量并引發(fā)了堤壩的大規(guī)模破壞，如圖6所示。

此外，在洪水結(jié)束時河水水位下降時，由于河岸材料的低滲透性，河岸地下水位下降的速度低于地表水位。這一現(xiàn)象造成了河岸水壓力與坡面地表水圍壓的不平衡，也導(dǎo)致了岸坡的突然大規(guī)模破壞。在這種情況下，為了采取必要的措施保護(hù)研究區(qū)的河岸，很有必要找出臨界岸坡和岸坡高度的極限值。河岸穩(wěn)定性分析的極限平衡法可以遵循Darby和Thorne(1996)提出的方法。這是一種成熟的河岸穩(wěn)定性分析方法，適用于沿平面破壞面發(fā)生破壞的陡峭、粘性、非層狀河岸。在這種方法中，還包括孔隙水和靜水圍壓，其中破壞面不受約束地穿過堤腳。

對徐州地區(qū)的黃河故道堤防進(jìn)行了案例研究。根據(jù)通識，將路堤中的含水層自由表面視為假定的飽和線，該飽和線由土壤類型決定。本研究采用有限元法進(jìn)行滲流分析，合理確定自由面。采用極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并與已有的計算值進(jìn)行了比較。

滲流分析的水力模型[14- 15]是模擬非飽和流過程中使用最廣泛的模型。因此，在本研究中，它被用來表示導(dǎo)水率和壓頭之間的關(guān)系：

(1)

式中，kh—任何壓頭下的滲透系數(shù)，m/s；ks—飽和滲透系數(shù)，m/s；h—土壤水頭；n—曲線形狀參數(shù)。

(2)

(3)

這些水力參數(shù)(ks，α和n)是通過使用數(shù)據(jù)庫程序ROSETTA(Schaap et al.，2001)預(yù)測的，該程序使用土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)來預(yù)測參數(shù)值。黃河故道堤防土壤類型為砂質(zhì)黏土，其水力參數(shù)ks，α和n分別為3.33×10-7m/s、2.7和1.23。利用這些水力參數(shù)繪制了土壤水分保持曲線，如圖6所示。

圖6 保水曲線

在有限元滲流分析中，各種單元的邊界條件和水力性質(zhì)相同。本次分析采用四邊形單元和三角形單元對區(qū)域進(jìn)行離散。用不同的元素種類和數(shù)量進(jìn)行了4次試驗，比較了自由表面位置的變化。前2個分析考慮了3個節(jié)點三角形單元，而另外2個則考慮了4個節(jié)點四邊形單元。每個分析設(shè)置域的邊界條件如圖7所示。此外，還計算了不同離散區(qū)域的截面中部總流量，以便于比較。滲透分析總結(jié)見表2。

圖7 有限元單元和邊界條件

表2 有限元計算滲漏總結(jié)

在計算孔隙水壓力分布時，不需要精確地確定滲透系數(shù)。因此，近似滲透率函數(shù)足以用于分析目的。通過中間部分的流量略有不同，見表2。結(jié)果表明，對于任何類型和任何數(shù)量的單元，水位自由面的位置幾乎相同。圖8為滲流分析結(jié)果。

圖8 自由面和滲漏面位置

根據(jù)安全系數(shù)(FS)值檢查黃河故道堤防的穩(wěn)定性。在有限元滲流分析的基礎(chǔ)上，對假定的飽和線(1∶5.45)和有限元滲流分析預(yù)測的自由面進(jìn)行極限平衡邊坡穩(wěn)定性分析。土壤的飽和和非飽和單位重量分別為120 pcf(18.8kN·m-3)和115 pcf(18.1kN·m-3)。分別采用莫爾-庫侖強度準(zhǔn)則，抗剪強度參數(shù)c=100psf(4.78kPa)，摩擦角φ=18°。用隨機生成圓形表面的技術(shù)，從100個試驗表面中找出一個臨界破壞面。

趾部各破壞面角度下限分別設(shè)為-5°和-45°(-ve為逆時針方向)。表3為極限平衡分析總結(jié)。

表3 邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果

3 結(jié)語

結(jié)果表明，在假定飽和線的情況下，安全系數(shù)被高估了22%～24%。此外，假設(shè)的飽和線不滿足二維均勻各向同性介質(zhì)流動的Laplace方程。因此，滲流分析是解決堤防滲流問題的必要條件，也是確定堤防安全值和安全設(shè)計的可靠因素。路堤材料的巖土工程性質(zhì)需要通過使用添加劑或加固材料(如水泥土、天然纖維或土工合成纖維等)來改善。還需要通過使用土工袋、水泥復(fù)合材料和鋼筋等來保護(hù)邊坡。還建議在邊坡穩(wěn)定性分析之前進(jìn)行滲流分析，以獲得設(shè)計穩(wěn)定路堤時更可靠的安全系數(shù)。