水位驟降影響下海堤變形研究分析

陸鵬源

(中山火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)水利所,廣東 中山 528437)

海堤是防御風(fēng)暴潮水侵襲的重要防災(zāi)減災(zāi)水利設(shè)施,在運(yùn)行過程中常受到由于洪(潮)水退去引起的邊坡臨水側(cè)水位驟降的影響。 研究表明,水位驟降是引起邊坡變形甚至滑坡的重要因素之一,開展其對邊坡穩(wěn)定的影響研究意義重大[1-2]。

目前,很多學(xué)者研究了水位驟降對邊坡穩(wěn)定的影響,如廖紅建等[3]研究了滲透系數(shù)與庫水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)邊坡最小安全系數(shù)發(fā)生在庫水位下降期間,邊坡安全系數(shù)下降率隨著滑坡體材料滲透系數(shù)的減小而增大。 時(shí)衛(wèi)民等[4]根據(jù)布西涅斯克非穩(wěn)定滲流微分方程,得到了庫水位等速下降時(shí)坡體內(nèi)浸潤線的簡化計(jì)算公式,并以此進(jìn)行算例分析,認(rèn)為庫水位緩降對邊坡穩(wěn)定最有利,陡降最不利,坡體穩(wěn)定系數(shù)隨下降速度增加而減小。 孫永帥等[5]采用模型試驗(yàn)觀察邊坡的破壞形態(tài)與變化過程,并在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上分析邊坡的穩(wěn)定性,認(rèn)為水位下降越快,孔隙水壓力越大,滲流作用力越大,邊坡沉降越大。

本文針對中山市永安圍海堤的大變形情況,采用有限元模擬方法分析了水位驟降對邊坡穩(wěn)定的影響機(jī)理,同時(shí)研究了水位降落速率與邊坡滲透系數(shù)對邊坡穩(wěn)定的影響。 基于研究結(jié)果,提出了幾點(diǎn)堤防管理與設(shè)計(jì)上的思考,可為堤防建設(shè)管理相關(guān)工作提供參考。

1 工程概況

中山市位于珠江口西側(cè)岸,三面環(huán)水,全市外江防洪(潮)堤防超過370km,其地理位置和地形地貌決定了其既受洪水威脅又受臺風(fēng)風(fēng)暴潮影響,堤防安全面臨著較為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

永安圍海堤位于中山市中東部,下覆深厚淤泥與淤泥質(zhì)土層,其中②-1淤泥質(zhì)土層平均厚度10.45m,②-2淤泥層平均厚度35.62m。 海堤采用釘型水泥土攪拌樁加固地基后對堤身進(jìn)行加高培厚處理,設(shè)計(jì)防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇。 項(xiàng)目施工過程中,堤身于2020 年8 月6 日發(fā)生大變形,最大變形量達(dá)108mm,大堤安全受到威脅。 發(fā)生大變形的原因主要是水位反復(fù)大幅快速漲落、強(qiáng)降雨引起的堤身自重增大、土體軟化以及堤后砂石堆載等。

2 有限元模擬分析

2.1 計(jì)算模型與工況

水位驟降是引起永安圍海堤大變形的重要原因之一,為了研究其對堤防邊坡穩(wěn)定的影響,本文采用有限元方法進(jìn)行了分析。 圖1 為計(jì)算模型,坡度為1 ∶2,邊坡為均質(zhì)土坡,重度為20kN/m3、黏聚力為15kN/m2、內(nèi)摩擦角為30°,該模型僅用于研究水位下降對邊坡穩(wěn)定的影響規(guī)律,并不代表本工程實(shí)際地形與地質(zhì)情況。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

本文共開展了5 組計(jì)算,模擬了水位從40m 降落至30m 對邊坡穩(wěn)定的影響,具體工況設(shè)計(jì)見表1。 M1、M2 與M3 研究了水位降落速率對堤防邊坡穩(wěn)定的影響,M2、M4 與M5 研究了滲透系數(shù)的影響。

表1 計(jì)算工況與安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.2 機(jī)理研究

隨著外江水位的快速下降,由于邊坡土層的低滲透性,坡內(nèi)積水無法迅速排出,導(dǎo)致邊坡孔隙水壓力大大增加。 以M2 2 次為例(見圖2),初始孔隙水壓力最大值為204.75kPa,水位降落后最大值為226.80kPa,增加了10.77%。 孔隙水壓力的大幅上漲增加了邊坡的下滑力,導(dǎo)致安全系數(shù)降低。

此外,由于水位的下降,在水頭差的作用下,地下水向臨空面方向運(yùn)動。 運(yùn)動著的地下水拖拽土體向滲流方向前進(jìn);同時(shí),滲流還會帶走坡腳附近的微小土粒,沖蝕坡腳,增加了失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。 另外,在坡面上,流體運(yùn)動過程中存在黏滯性,水位驟降過程中坡外水體對坡內(nèi)水體產(chǎn)生向下的牽引力,這也增加了邊坡的下滑力。

在一系列的作用下,最終引起邊坡內(nèi)部應(yīng)力的調(diào)整,圖3 為邊坡內(nèi)部剪應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。 由圖3 可知,隨著水位降落,剪應(yīng)力集中區(qū)向內(nèi)、向上擴(kuò)張,且剪應(yīng)力峰值顯著增大,當(dāng)剪應(yīng)力超過邊坡抗剪強(qiáng)度后將會發(fā)生邊坡失穩(wěn)。

圖2 M2 2 次邊坡孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果

2.3 影響因素分析

2.3.1 水位降落速率的影響

研究表明,水位降落速率是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素[6-7]。 由于強(qiáng)降雨,永安圍海堤于2020 年8 月6日發(fā)生變形前,外江水位連續(xù)4 日潮差超過2m,最大達(dá)2.47m,降落耗時(shí)5h,這是導(dǎo)致堤防邊坡變形的重要原因之一。

圖3 邊坡剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

為了研究其影響,本文計(jì)算了水位從40m 降落到30m 分別耗時(shí)1d、5d 和10d 三種工況。 計(jì)算結(jié)果表明,隨著水位降落速率的加快,安全系數(shù)減小,分別為0.616、0601 與0.597,原因之一是隨水位降落速率增大邊坡內(nèi)部孔隙水壓力增大。 如圖4 所示,隨著水位降落速度的增大,邊坡孔隙水壓力峰值分別為232.42 kPa、226.80kPa 與219.03kPa。 此外,水位降落速度越快,滲透作用越明顯。

圖4 不同水位降落速率下孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果

2.3.2 滲透系數(shù)的影響

為了研究滲透系數(shù)對邊坡穩(wěn)定的影響,本文計(jì)算了10-5m/s、10-6m/s 與10-7m/s 三組不同滲透系數(shù)的影響。 結(jié)果顯示,隨著滲透系數(shù)的增大,邊坡安全系數(shù)逐漸增大,分別為0.601、0.774 與1.068。 其中一個主要原因是滲透系數(shù)越小,水位驟降過程中孔隙水壓力越難消散,導(dǎo)致邊坡下滑力增大[8]。 圖5 為三種不同滲透系數(shù)條件下邊坡孔隙水壓力的計(jì)算結(jié)果,隨著邊坡滲透系數(shù)的增大,孔隙水壓力峰值減小,分別為154.16kPa、215.38kPa 與226.80kPa。

永安圍海堤下覆地基為淤泥質(zhì)土與淤泥層,②-1淤泥質(zhì)土滲透系數(shù)約為2 ×10-7cm/s,②-2淤泥滲透系數(shù)約為5 ×10-7cm/s,屬于極微透水土層。 在外江水位快速大幅度降落的影響下,孔隙水壓力消散慢,導(dǎo)致孔壓激增,從而增加了變形風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 不同滲透系數(shù)下孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果

3 關(guān)于堤防管理與設(shè)計(jì)的思考

如前所述,水位驟降速率越快,邊坡穩(wěn)定性越低。在堤防管理過程中,可通過下游節(jié)制閘控制水位降落速率,使水位平緩降落,以降低邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。 中山市沿海區(qū)域地基通常為較厚的淤泥地層,滲透系數(shù)較低,在堤防設(shè)計(jì)過程中可增加排水設(shè)計(jì),以降低孔隙水壓力[9-11]。 此外,堤防迎水面可增加反濾體,防止水位降落過程中產(chǎn)生滲透破壞。

4 結(jié) 語

針對中山市永安圍海堤突發(fā)大變形情況,本文采用有限元方法進(jìn)行了數(shù)值模擬,基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果,對水位驟降對邊坡穩(wěn)定的影響機(jī)理進(jìn)行了分析,同時(shí)研究了水位降落速率與邊坡滲透系數(shù)對邊坡穩(wěn)定的影響,主要結(jié)論如下:

a. 水位驟降對邊坡穩(wěn)定的影響主要體現(xiàn)在孔隙水壓力升高、滲流的拖拽作用以及水體黏滯性引起的牽引作用,最終引起邊坡內(nèi)部的剪應(yīng)力增大,應(yīng)力集中區(qū)向內(nèi)、向上擴(kuò)張,從而降低邊坡穩(wěn)定性。

b. 隨著水位降落速率的增大,邊坡孔隙水壓力增大、滲透作用明顯,導(dǎo)致抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)減小。 永安圍海堤外江連日出現(xiàn)高潮差,且降落速度快,這是引起堤防大變形的重要原因之一。

c. 隨著滲透系數(shù)的減小,孔隙水壓力增大,導(dǎo)致安全系數(shù)減小。 永安圍海堤下覆地基為微透水淤泥與淤泥質(zhì)土層,水位驟降過程中邊坡孔隙水壓力難以消散,增加了變形的風(fēng)險(xiǎn)。

d. 在堤防管理與設(shè)計(jì)過程中,可降低水位降落速率并使其平緩降落,增加排水與反濾體設(shè)計(jì)以提高邊坡穩(wěn)定性。