基于強度折減法的河道邊坡穩(wěn)定性研究

王騰飛，常 賾

(珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611)

0 前 言

河道邊坡的穩(wěn)定和安全一直都是巖土邊坡研究的重點，如何定量的描述河道邊坡當前的穩(wěn)定程度是重中之重，傳統(tǒng)的做法是通過開展野外觀察測量河道邊坡的滑動量和河流水位來評判的，但這種做法工作量太大，效率較低，對人員數(shù)量需求較多，采樣精度容易受到環(huán)境因素的不利影響。鑒于此，專家學(xué)者們提出了能滿足一定精度要求的強度折減法來計算邊坡穩(wěn)定，文章也是基于該理論來開展對河道邊坡穩(wěn)定性的定量化研究，將通過各關(guān)鍵因素對穩(wěn)定系數(shù)的影響來進行具體分析。

1 強度折減法基本原理

河道邊坡的穩(wěn)定系數(shù)取自強度折減法下的等效換算結(jié)果，計算有限元模型時，每一次迭代步都對河道邊坡填充體的黏聚力C和材料內(nèi)摩擦角φ等進行比例折減，同時判斷邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，當河道邊坡出現(xiàn)滑動失穩(wěn)時，也就是河道邊坡填充體的應(yīng)力無法與其塑性應(yīng)變匹配時，填充體內(nèi)部就形成了弧形連續(xù)滑動面，初始黏聚力C0與此狀態(tài)下的黏聚力Cn的比值就是河道邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。文章判斷河道邊坡滑動失穩(wěn)的標準是：邊坡填充體形成了貫通性塑性區(qū)(塑性應(yīng)變最大且貫通邊坡的區(qū)域)。

(1)

(2)

式中：C為填充體的黏聚力；Ci由上一步迭代計算得到；φ為填充體的內(nèi)摩擦角；φi也由上一步迭代得到；i為等比例折減的次數(shù)；F為折減系數(shù)。若河道邊坡經(jīng)歷了n次迭代后發(fā)生滑動失穩(wěn)，則此時的折減系數(shù)Fn就是河道邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，即：

(3)

式中：σ為填充體的法向應(yīng)力；C0和φ為材料初始狀態(tài)的參數(shù)。

2 河道概況

郁江是珠江流域西江水系最大支流，位于廣西壯族自治區(qū)南部，流域總面積89357km2。北源右江為正源，發(fā)源于云南省廣南縣境內(nèi)的楊梅山；南源左江源于越南境內(nèi)。擬分析河道邊坡距離上游西津水利樞紐81km，距離下游貴港航運樞紐23 km。左右岸均為水田、旱地，以10a一遇洪水位線(49.95m)作為河道管理范圍控制線，河寬10a一遇時約為364.67m，河床高程一般在20m-45m，平均坡降為0.1‰。

3 建立河道邊坡有限元模型

以商用有限元軟件ABAQ US為平臺建立河道邊坡平面模型，如圖1所示，模型采用八節(jié)點四邊形單元，并細化了邊坡潛在滑動區(qū)的單元尺寸。邊坡坡度分別設(shè)置為15°和30°，坡度15°的河道邊坡常水位1.3m，地下水位1.4m，單元數(shù)量為388個。坡度30°的河道邊坡常水位0.5m，地下水位0.6m，單元數(shù)量為412個。填充體所用材料的干密度為1.26g/cm3，靜楊氏彈性模量為26MPa，泊松比為0.25，黏聚力為9kPa，內(nèi)摩擦角為16.7°，孔隙比設(shè)置為0.71，滲透系數(shù)考慮3.22×10-7m/s[1]。

(a)15°坡度

模型荷載考慮水和填充體的自重。對模型左右斷面及底部設(shè)置固定約束。滲流邊界條件是自由水面以上的邊坡為自由滲流，左斷面及其他自由水面以下的邊坡受河流自由水頭作用，右斷面受地下水位影響。初始條件是填充體內(nèi)的孔隙水壓力隨埋深的增加而線性增加。

4 算例驗證

為驗證強度折減法對本研究課題的可行性，文章在ABAQUS和GEO-studio軟件中建立了同樣尺寸和邊界條件的河道邊坡平面模型，前者基于強度折減法來計算和判斷河道邊坡的穩(wěn)定性，后者則利用極限平衡法。如圖2、圖3所示，對坡度15°且水位降落期為48h的河道邊坡滑動失穩(wěn)的計算結(jié)果表明：水位降落過程中，潛在滑動區(qū)的地下水滲流場圍繞其順時針流動，滲流流速均朝著下坡向，且靠近坡面滲流場的流速基本與坡面平行，兩個軟件計算的地下水最大滲流速率差異較小；從滑動面的分布情況可以看出，ABAQUS計算滑坡帶的深度較GEO-studio的淺，但兩個滑動帶的形狀和位置基本一致。由此可認為強度折減法適用于研究本課題。

(a)ABAQUS的計算結(jié)果

5 河道邊坡的穩(wěn)定性分析

有研究表明水位降落會影響河道邊坡的穩(wěn)定和安全，文章設(shè)置了15°和30°坡度以及24h、48h、72h三個水位降落期來開展河道邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬。

5.1 15°河道邊坡穩(wěn)定性分析

15°河道邊坡滲流場，如圖4所示。

(a)24h水位降落期

從圖4可以看出，24h、48h和72h水位降落期下的邊坡地下水滲流場形狀較相似，最大滲流速率隨水位降落期的延長而降低，不同水位降落期對應(yīng)的最大滲流速率依次為1.1-6m/s、5.6-7m/s、3.8-7m/s，造成這一結(jié)果的原因主要是：較長的水位降落期會讓邊坡填充體的孔隙水水位降落得更緩慢，孔隙水對地下水的滲流有阻礙作用，進而減緩了滲流速率。

圖5是河道邊坡滑動失穩(wěn)時的塑性區(qū)分布圖，在不同水位降落期影響下，邊坡塑性區(qū)的位置、面積存在一定差異性，邊坡塑性區(qū)面積隨水位降落期的延長而縮減，其位置也沿豎直方向向上轉(zhuǎn)移，貫通性塑性區(qū)中心到坡面的距離也越來越小。這一結(jié)果的主要影響因素是原滑坡體的負孔隙水壓力隨水位降落期的延長而增高，邊坡的極限承載力逐漸恢復(fù)。由河道邊坡填充體形成貫通性塑性區(qū)的判斷標準可求得15°河道邊坡在水位降落期24h、48h、72h下的穩(wěn)定系數(shù)依次為3.32、3.34、3.35。

(a)24h水位降落期

5.2 30°河道邊坡穩(wěn)定性分析

30°河道邊坡滲流場分布如圖6所示，可以看出水位降落期24h、48h、72h影響下的河道邊坡滲流場的形狀、位置均與圖4的結(jié)果相似，但由于本工況的坡度增加了一倍，這就使得填充體的孔隙水水位降落速率較15°坡度的模擬結(jié)果更快，很大程度上削弱了孔隙水對邊坡滲流的阻礙作用，導(dǎo)致30°河道邊坡的最大滲流速率達到4.8-6m/s、2.9-6m/s、1.9-6m/s，遠>15°河道邊坡的結(jié)果。

(a)24h水位降落期

圖7是河道邊坡發(fā)生滑動失穩(wěn)時的塑性區(qū)分布圖，與圖5的結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn)，圖7的河道邊坡塑性區(qū)的應(yīng)力水平有所下降，塑性區(qū)位置也更靠近坡面，其深度較淺，相同水位降落期下的貫通性塑性區(qū)中心到坡面的距離稍大，其穩(wěn)定系數(shù)分別降至2.31、2.33、2.34，衰減幅度約為30%。

(a)24h水位降落期

6 結(jié) 論

文章以強度折減法為理論依據(jù)，在有限元軟件ABAQUS的支撐下展開了河道邊坡穩(wěn)定性的仿真研究，得到以下結(jié)論：

1)對比ABAQUS和GEO-studio計算的河道邊坡滲流場的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)二者無明顯差別，其滲流場形狀、位置較相似，最大滲流速率基本相等，滑動帶的形狀、深度相似，所以強度折減法對本研究課題的可行性得到了驗證。

2)同一坡度下，水位降落期是影響河道邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，具體表現(xiàn)為水位降落期越長，孔隙水的退散速率越小，邊坡極限承載力的恢復(fù)程度越高，其穩(wěn)定系數(shù)就越大。

3)水位降落期相同時，河道邊坡的坡度越陡，孔隙水的退散速率越大，邊坡極限承載力的恢復(fù)程度越低，穩(wěn)定系數(shù)越小。

4)對于具體河道邊坡案例，可以在強度折減法的基礎(chǔ)上，通過模型精細化、材料分區(qū)、考慮植被覆蓋等措施來增加數(shù)值模擬的可靠性。