水位變化條件下堤防加固效果有限元分析

池佃東

(韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司,廣東 韶關 512000)

0 前 言

在季節(jié)性降雨影響下,土石類邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象十分普遍。諸多學者對邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)定現(xiàn)象的原因及失穩(wěn)發(fā)展過程進行了深入研究。段祥寶[1-2]等學者通過砂槽模型試驗,模擬不同滲透系數(shù)和土體強度的材料在水位下降過程中的非穩(wěn)定滲流場變化過程,認為水位下降過快是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要原因。詹美禮[3]通過建立堤壩飽和-非飽和滲流測試系統(tǒng),分析土體基質(zhì)吸力的變化,研究邊坡失穩(wěn)機理的發(fā)展過程。王建林[4]采用數(shù)值模擬方法,模擬河道處受水流側(cè)蝕影響下的堤防穩(wěn)定安全,認為應該增強河道堤防的抗沖刷能力,避免堤防在高速水流側(cè)蝕失去支撐從而滑向河岸[5]。鄭昊[6]通過模擬庫水位上升對土石心墻壩的影響,認為水位變化速率是影響土質(zhì)壩的重要影響因素。祝靜[7]和結合洪水期實測水位資料,探索了不同水位變化速率下岸坡穩(wěn)定的變化規(guī)律。岳紅艷[8]采用物理模型試驗的方式,分析了水位變化和水流沖刷作用岸坡穩(wěn)定的影響。張挺[9]等對山區(qū)河流土堤的滲流特性進行分析探討,王偉[10]等通過分析庫區(qū)內(nèi)土體的水動力滑坡作用機制,確定庫水位頻繁變動是導致滑坡的重要危險因子。

山區(qū)丘陵區(qū)域河道,水位變化受季節(jié)性強降雨影響顯著。在強降雨過程中,初期雨水入滲,河道兩側(cè)堤防表面土體強度減小,對邊坡穩(wěn)定安全有不利影響。隨著持續(xù)強降雨,山區(qū)丘陵河道坡降較大,各個支流水流逐漸匯集流向地勢較低的區(qū)域,導致不同區(qū)域河道水位快速變化,影響河道兩側(cè)堤防的邊坡穩(wěn)定安全性[12]。不同堤段堤防間存在差異,邊坡穩(wěn)定安全受堤防結構形式、堤身填筑質(zhì)量及土體材料性質(zhì)、水流侵蝕深度和除險加固措施等因素影響,因此,分析河道水位變化過程中堤防邊坡穩(wěn)定安全變化規(guī)律具有重要工程意義[13]。

本文通過分析水位變化下堤防除險加固前后堤防滲流場變化規(guī)律,定量分析不同堤段堤防修固前后的安全情況,驗證所采用加固措施的有效性[11]。

1 工程概況

黨水河河道治理工程位于陜西省漢中市洋縣境內(nèi)北部,黨水河屬漢江一級支流,由北向南流經(jīng)黨河水庫下游進入盆地,在洋縣城西匯入漢江。發(fā)育有三級基座階地,階地堆積物具二元結構,上部為壤土、黃土狀壤土,下部為卵石層。工程區(qū)內(nèi)降雨量豐富,地表水系眾多,河道平均比降24.2‰,河道區(qū)域物理地質(zhì)作用微弱,表現(xiàn)為小規(guī)模的崩塌、滑坡等。黨水河河道兩側(cè)堤防防洪標準為10年一遇,工程級別為5級。

本次黨水河河道治理工程大致可分為馬坪村段、李家店村段和鐵河街村段。馬坪村段未進行河道整治前,河道兩側(cè)為天然岸坎防護,受季節(jié)性洪水威脅嚴重。進行河道堤防整治后,采用格賓石籠和漿砌石護坡對堤防迎水面進行加固處理,提高了堤防安全穩(wěn)定性。未進行河道整治前,李家店村段采用半天然岸坎防護結合漿砌石擋墻防洪,局部區(qū)域堤防滲透性較差,洪水期堤后存在微小滲水點;進行河道整治后,均采用漿砌石擋墻進行防護,堤身土體松散進行夯實加固,提高堤防滲流及穩(wěn)定安全性。鐵河街村段未進行河道整治前,局部漿砌石護岸受水流側(cè)蝕嚴重,出現(xiàn)了堤腳損毀、局部裂縫和垮塌現(xiàn)象,堤腳處存在不同深度的沖刷坑,存在較大邊坡穩(wěn)定安全風險。進行修正后采用仰斜式防洪擋墻和混凝土護腳進行加固,保護堤后住戶及耕地安全。

2 計算模型及方法

2.1 計算簡化模型

黨水河堤防工程具有堤線長、堤身斷面結構及除險加固處理措施不同等特點,為了更加直觀體現(xiàn)局部堤段存在安全問題,根據(jù)黨水河河道區(qū)域內(nèi)馬坪村段、李家店村段和鐵河街村段的河道兩側(cè)堤防特點,結合歷史險情統(tǒng)計情況,篩選出險情多發(fā)、安全情況較差的堤防典型斷面,通過判斷最危險堤段的安全情況,進而來推測整體黨水河堤防工程的整體安全性。

本次在黨水河堤防工程中馬坪村段等3個區(qū)域中各帥選出最危險的典型斷面,依次編號為①、②和③。通過對進行出險加固前后3個典型斷面進行邊坡穩(wěn)定有限元計算,同時考慮強降雨影響下河道水位快速變化對堤防邊坡安全的影響,分析堤防除險加固前后的滲流和穩(wěn)定安全。計算采用Geo studio 有限元計算軟件,采用摩根斯坦-普拉斯法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

典型斷面①位于馬坪村段,加固后迎水坡比約為1∶1.5,上部護岸采用格賓石籠進行加固,下部采用漿砌石護坡進行防護,且與坡腳處設置混凝土護腳防水流沖刷。典型斷面②位于李家店村段,采用漿砌石擋墻進行加高加固,加固后迎水堤身坡比約為1∶2.5,坡腳處設置混凝土護腳。典型斷面③位于鐵河街村段采用漿砌石擋墻,護坡坡比1∶0.25,對已形成一定水流側(cè)蝕深度的堤基進行開挖整平,并設置混凝土護腳。堤高約為3.0～4.0 m,堤頂寬度約為4.0～4.5 m,枯水位為1.0 m,設計洪水位為2.4～2.7 m。堤后多為耕地和住戶,為了分析水位變化對堤防穩(wěn)定及滲流安全的影響性,根據(jù)典型斷面①、②和③建立二維有限元計算模型,見圖1。

圖1 典型堤防①、②和③整治前后有限元模型

2.2 計算參數(shù)

黨水河道堤基主要成分為大理巖、結晶灰?guī)r、砂巖等,堤身填筑料多為就地取材,根據(jù)現(xiàn)有地勘室內(nèi)試驗資料,擬定穩(wěn)定和滲流計算材料參數(shù)表,見表1,堤防土體和堤基材料均按非飽和滲流特性考慮,其堤身土體非飽和滲流特性函數(shù)見圖2。

表1 堤防材料滲透系數(shù)及物理特性

圖2 堤身土體滲流特性函數(shù)

2.3 計算工況

根據(jù)相關歷史水文資料,擬定不同堤段在強降雨影響下的計算工況,具體計算工況見表2。各個堤段以不同的水位變化速率由枯水位上升至設計洪水位,隨后以同樣水位變化速率由設計洪水位降至枯水位;各個堤段受水位變化影響;各個階段計算歷時均取為48 h。

表2 計算工況

3 河道整治工程前后邊坡穩(wěn)定安全分析

3.1 整治前后河道堤防滲流安全分析

對典型斷面在水位變化過程進行滲流計算,分析3個典型斷面整治前后在水位變化影響下的滲流場變化規(guī)律。圖3和圖4為3個典型斷面在水位變化過程滲流量和滲透坡降變化圖。

圖3 水位上升階段滲流量和滲透坡降變化

圖4 水位下降階段滲流量和滲透坡降變化

3個堤防典型斷面中,堤身及堤基材料的材料性質(zhì)基本一致,但典型斷面②的堤身材料性質(zhì)防滲性較差。對典型堤段進行滲流有限元計算,對比分析整治前后典型堤段在水位變化過程中的滲流場變化規(guī)律。由圖3和圖4可知,在水位變化過程中,滲透坡降和滲流量變化規(guī)律表現(xiàn)為隨水位升高而增大,隨水位降低而減小,最后都趨于穩(wěn)定。堤防未整治前,在水位變化過程中,典型斷面①、②和③的最大滲流量分別為1.06×10-1、1.30×10-1L/(m·s)和0.74×10-1L/(m·s),最大滲透坡降分別增至0.073、0.051和0.063,接近于土體允許坡降0.10。堤防整治后,典型堤段①、②和③的最大滲流量分別減小至1.07×10-1、0.65×10-1L/(m·s)和0.81×10-1L/(m·s);最大滲透坡降分別減小至0.057、0.40和0.061。

對比分析圖3及圖4中堤防整治前后滲流場計算結果可知,未整治前3個堤段滲流量和滲透坡降變化規(guī)律基本一致。典型斷面②由于堤身材料滲透性較差,隨著水位上升滲流量增長速率較快,滲流量比其余堤段大;滲透坡降極值均出現(xiàn)在天然岸堤背水側(cè)低高程處,由于堤段②防滲性較差,滲水量相對較多,堤前堤后水頭差較小,從而導致滲透坡降整體較低,受水位變化影響較小。整治后,3個典型堤段的滲流量和滲透坡降變化規(guī)律與整治前一致,由于各個典型斷面新建堤防均修筑了漿砌石護坡或擋墻,在一定程度上提高了堤迎水面的防滲性,使得新建堤防的滲流量及滲透坡降極值顯著減小。綜上所述,各個典型堤段采取不同的整治措施后,堤防滲流安全性均有所提高。

3.2 整治前后河道堤防邊坡穩(wěn)定安全分析

分別對3個典型斷面在水位變化過程進行堤防邊坡穩(wěn)定計算,分析堤防3個典型斷面在整治前后在水位變化影響下的堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化規(guī)律。圖5和圖6為3個典典型斷面在水位上升、下降過程堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化變化圖。

圖6 水位下降階段不同堤段穩(wěn)定安全系數(shù)

由圖4～7可知,在水位變化過程中,各個典型堤段的臨水坡安全系數(shù)變化規(guī)律大體相同。水位上升時,堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)出先增大、后減小,最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律;水位下降時,堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)出先減小、后增大,最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。

堤防未整治前,典型斷面①、②和③在枯水位下堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.62、1.26和1.23;當水位上升至設計洪水位后,典型斷面①、②和③的穩(wěn)定安全系數(shù)分別增大至2.23、2.15和1.88。在水位下降過程中,典型堤段①、②和③的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.08、1.22和1.05。堤防整治后,典型斷面①、②和③的在枯水位下堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.36、2.19和2.02;當水位上升至設計洪水位后,典型斷面①、②和③的穩(wěn)定安全系數(shù)分別增大至3.01、3.20和2.96;在水位下降過程中,典型斷面①、②和③的最小穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.32、2.30和1.90。水位下降過程對于堤防迎水面是水壓力卸載的過程,導致迎水面抗滑力減小,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)減小。此外,由于堤內(nèi)水位下降速率慢于堤前下降速率,堤內(nèi)孔隙水壓力未完全消散,堤防土體內(nèi)會產(chǎn)生由內(nèi)向外的滲透力,導致迎水面安全系數(shù)減小。

將圖5和圖6中水位變化過程3個典型斷面的臨水坡安全系數(shù)變化規(guī)律對比分析發(fā)現(xiàn),未整治前,典型斷面③的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小,主要是由于典型堤段③受水流側(cè)蝕嚴重,堤腳處已經(jīng)存在一定深度的沖刷坑,故在枯水位下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)僅為1.23。在河道受持續(xù)強降雨影響下,山區(qū)河道存在一定坡降,河道內(nèi)水流會匯集于低高程區(qū)域,河道水位存在快速下降現(xiàn)象,堤內(nèi)土體的浸潤線下降速率較河道水位下降速率慢,臨水側(cè)處受水堤內(nèi)指向堤外的滲流壓力影響明顯。很容易產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象,典型堤段③堤腳存在沖刷坑,若是水位下降速率過快,存在較大的邊坡失穩(wěn)風險。進行整治后,各個典型斷面在堤腳處均設置了混凝土護腳,并進行了砂石料回填加固,大大提高了新建堤防的迎水面穩(wěn)定安全。綜上所述,各個典型斷面采取不同的堤腳加固措施后,堤坡穩(wěn)定安全性顯著提高。

4 結 論

本文以黨水河河道治理工程為研究對象,根據(jù)山區(qū)丘陵區(qū)域特點,考慮山區(qū)河道水位變化、堤身材料和水流侵蝕對河道兩側(cè)堤防安全的影響,分析整治前后堤防的滲流和穩(wěn)定安全。通過對黨水河道兩側(cè)堤防進行滲流和邊坡穩(wěn)定有限元計算,明確了原老舊岸堤存在的風險,研究新建堤防在水位變化影響下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律,得出了以下結論:

(1) 黨水河道兩側(cè)原狀堤防由于填筑質(zhì)量和多年運行等原因,在水位變化影響下,局部堤段存在邊坡失穩(wěn)的風險。修整加固后,堤防整體防滲性也有所改善,新建堤防在邊坡穩(wěn)定安全性提高。

(2) 現(xiàn)狀堤防采用格賓石籠及漿砌石擋墻進行加固,對堤腳處沖刷坑采用了設置混凝土固腳,顯著提高了堤防邊坡穩(wěn)定安全性,現(xiàn)有加固措施行之有效。