水位變化對赤田港堤防穩(wěn)定性分析探討

袁德輝

（江西省贛西土木工程勘測設(shè)計(jì)院，江西宜春，336000）

0 引言

目前，堤坡失穩(wěn)是土石堤防工程的常見問題，堤前水位快速漲落是一個重要誘因[1]。堤前水位快速變動造成堤防臨水坡穩(wěn)定性降低，滑坡現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[2]。同時(shí)，由于部分堤防歷史悠久[3]，運(yùn)行周期長，堤防施工填筑質(zhì)量差[4]；多年運(yùn)行過程中，局部堤段經(jīng)過不同程度的修整，導(dǎo)致不同堤段的斷面結(jié)構(gòu)布置存在較大差異和許多安全隱患，需要及時(shí)采取加固措施[5]。諸多學(xué)者對堤防的穩(wěn)定安全進(jìn)行了計(jì)算分析，何彬[6]采用有限元分析方法，對堤防加固前后的堤坡穩(wěn)定安全進(jìn)行分析，驗(yàn)證現(xiàn)有加固措施的有效性。水位在短時(shí)間內(nèi)變化速率過快，對邊坡穩(wěn)定性會產(chǎn)生不利影響，分析不同水位變化速率對堤防邊坡穩(wěn)定的影響具有指導(dǎo)意義[7]。崔頻捷等[8]以土石心墻壩為例，通過分析庫水位變化速率對土石類邊坡穩(wěn)定安全的影響，確定了水庫水位的最不利下降速率。除此之外，在高水位、急水流條件下，水流的淘刷作用會導(dǎo)致堤防堤腳處產(chǎn)生沖刷坑，對堤坡穩(wěn)定安全產(chǎn)生不利影響[9]。

赤田港堤限于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件，現(xiàn)已運(yùn)行多年，存在迎水側(cè)堤坡比不一致，堤腳處有沖刷坑等安全隱患。以往研究僅對局部單一堤防進(jìn)行計(jì)算分析，本文結(jié)合赤田港堤防特點(diǎn)，采用有限元計(jì)算方法，分析不同堤坡比和不同沖刷坑影響下的堤防安全?？紤]水位變化速率影響，定量分析不同影響因素下的堤防穩(wěn)定安全的變化規(guī)律，及時(shí)對存在風(fēng)險(xiǎn)堤段進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理，具有重要意義。

1 工程概況

赤田港堤位于江西省奉新縣赤田鎮(zhèn)，工程建筑物等級為5 級。堤防兩側(cè)多為農(nóng)田，限于當(dāng)時(shí)施工技術(shù)條件，堤防迎水側(cè)坡比不一致，堤坡比約為1：1.5～1：2.0。堤基主要含水層為第四系沖洪積層的壤土、中細(xì)砂和細(xì)砂巖。堤基位于壤土層上，地層均勻，堤防迎水側(cè)由于壤土及中細(xì)砂較多，抗沖能力較差，在水流長期淘刷影響下，堤防迎水側(cè)堤腳處存在不同深度的沖刷坑，對堤防迎水側(cè)的穩(wěn)定安全造成不利影響。

2 計(jì)算模型及方法

2.1 計(jì)算簡化模型

赤田港兩側(cè)為農(nóng)田耕種區(qū)域，迎水側(cè)穩(wěn)定安全也關(guān)系著堤防周邊區(qū)域的安全。赤田港堤高為3.6m，堤頂寬度為4.0m，枯水位為1.8m，設(shè)計(jì)洪水位為3.0m。為分析堤防迎水側(cè)堤坡比對堤防穩(wěn)定安全的影響，本次計(jì)算迎水側(cè)考慮3 種不同堤坡比1：1.5、1：1.75 和1：2.0，背水堤坡比為1：2.5。堤防迎水側(cè)受水流淘刷影響，存在不同深度的沖刷坑。本次模擬堤腳出現(xiàn)0.25m、0.50m和0.75m 三種不同的沖刷深度，計(jì)算不同沖刷深度下堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)，對存在危險(xiǎn)的堤段及時(shí)進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。建立赤田港堤防二維有限元計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 赤田港堤防有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)及工況

根據(jù)地質(zhì)資料且結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，本文假定堤防及堤基為各項(xiàng)同性多孔介質(zhì)[10]，計(jì)算材料參數(shù)見表1，堤防土體和堤基材料均按非飽和滲流特性考慮，飽和—非飽和滲流基本方程表達(dá)式為：

表1 堤防材料滲透系數(shù)及物理特性

式中：kx和ky分別為非飽和土在x 和y 方向上的滲透系數(shù)；Q 為邊界上水的流量；θ 為土體含水率；t 為時(shí)間。對堤防進(jìn)行非飽和滲流分析，將土體視為土顆粒骨架和孔隙構(gòu)成的多孔介質(zhì)，需要選用適合的土水特征曲線模型及滲透系數(shù)模型，本次選用Van Genuchten模型描述。土體體積含水量與基質(zhì)吸力間的函數(shù)關(guān)系見式（2），相應(yīng)的滲透系數(shù)表達(dá)式見式（3）。堤身土體非飽和滲流特性函數(shù)見圖2。

圖2 堤身土體滲流特性函數(shù)

式中：θ 為土體含水率；θs、θr分別為飽和含水率和殘余含水率；kr為相對滲透率；τ 為迂曲度因子；α、m、n為模型參數(shù)。

3 堤防安全影響因素分析

3.1 堤防迎水側(cè)堤坡比影響

為了分析堤防迎水側(cè)堤坡比對堤防穩(wěn)定安全的影響，擬定1：1.5、1：1.75 和1：2.0 三個堤坡比的計(jì)算斷面，總結(jié)歸納迎水側(cè)堤坡比變化對堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)堤坡穩(wěn)定有限元計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)迎水側(cè)堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)在水位上升過程中變化規(guī)律基本一致，但堤坡迎水側(cè)穩(wěn)定安全系數(shù)極值存在差異。

由圖3 可知，隨著水位上升，水體向堤防內(nèi)部滲透擴(kuò)散速率加快，土體逐漸飽和導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低。由于堤前水位上升速率快于堤內(nèi)水位變化速率，水位上升初期迎水側(cè)受到水壓力作用明顯，水荷載提高了堤坡的阻滑力，堤防迎水側(cè)堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增加。堤前水位由枯水位上升至設(shè)計(jì)洪水位后，堤防內(nèi)部飽和區(qū)域繼續(xù)增大，土體抗剪強(qiáng)度降低，使得堤防迎水面穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸下降，最終趨于穩(wěn)定。

圖3 水位上升階段迎水面堤坡安全系數(shù)變化圖

在不同水位上升速率影響下，不同堤坡比的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化規(guī)律基本一致。同一堤坡比下，水位上升速率僅影響堤防迎水面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的極值，水位上升速率越快，堤坡邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)越早到達(dá)安全系數(shù)極值。水位上升速率為0.30m/h 時(shí)，堤坡比為1：1.5 的堤防穩(wěn)定安全系數(shù)最大值為1.95。水位上升速率分別為0.25m/h、0.20m/h 和0.15m/h，堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)極值分別為1.94、1.93 和1.91，不同水位上升速率下的堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)基本一致，為1.75。

同一水位上升速率下，堤坡越陡，堤防迎水側(cè)堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)越小，堤坡比為1：1.5 時(shí)堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.75，堤坡比為1：1.75 和1：2.0 時(shí)，堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.98 和2.15，相比于坡比為1：1.5 的堤段分別提高了13.14%和22.85%。

根據(jù)堤坡穩(wěn)定有限元計(jì)算結(jié)果，分析迎水側(cè)堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)在下降過程中的變化規(guī)律。

由圖4 可知，堤前水位的快速下降對于堤防迎水側(cè)是一個水壓力卸載的過程，堤防迎水面抗滑力減小，堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)減小。堤前水位下降至枯水位后，由于堤內(nèi)水位下降速率慢于河道水位下降速率，堤內(nèi)孔隙水壓力未完全消散，堤防內(nèi)會產(chǎn)生由內(nèi)向外的滲透力，導(dǎo)致迎水面安全系數(shù)持續(xù)減小，但減小速率逐漸變緩。隨著堤防內(nèi)部的孔隙水壓力逐漸消散，堤防土體內(nèi)部飽和區(qū)域逐漸減少，使得堤防迎水面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)繼續(xù)增大，最后堤防迎水面安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖4 水位下降階段迎水面堤坡安全系數(shù)變化圖

在水位下降過程中，不同堤坡比的堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化規(guī)律大體相同，呈現(xiàn)出先減小、后增大，最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)極值在不同堤坡比和水位下降速率存在差異。堤前水位以0.30m/h速率下降過程中，堤坡比為1：2.0 的堤防穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為1.47，若堤坡比變成1：1.75 和1：1.5，堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)極值分別減小至1.42 和1.33，相比坡比為1：2.0 時(shí)，分別減小了3.41%和9.52%。

同一堤坡比在水位下降速率不同時(shí)，迎水面堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化規(guī)律基本一致。水位下降過程中，堤防迎水側(cè)處受堤內(nèi)指向外的滲透力影響明顯。水位下降速率越快，迎水面安全系數(shù)下降速率越快，安全系數(shù)越小。水位以0.30m/h 速率下降過程中，堤坡比為1：1.5的堤防穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為1.33，若水位變化速率變成0.25m/h、0.20m/h 和0.15m/h，堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小值有所提高，分別為1.35、1.36 和1.37，相比水位變化速率為1.50m/h 時(shí)，分別提高了1.51%、2.25%和3.02%。

3.2 堤防迎水側(cè)沖刷深度影響

在高水位、急水流條件下，水流對堤防堤腳處的淘刷作用較強(qiáng)。為分析不同深度的沖刷坑對赤田港土堤迎水側(cè)堤坡穩(wěn)定安全影響，擬定0.25m、0.50m 和0.75m三種沖刷深度，分析水位變化影響下的迎水側(cè)堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律。圖5 為水位上升速率為0.30m/h 過程中，迎水側(cè)不同堤坡比存在不同沖刷深度下的迎水面安全系數(shù)變化圖。

圖5 水位上升階段不同沖刷深度堤坡安全系數(shù)變化圖

由圖5 可知，沖刷深度對堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大，堤防堤腳處沖刷深度越大，堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)整體越小。以堤坡比為1：1.5 的堤段為例，堤防未出現(xiàn)沖刷坑時(shí)，堤防穩(wěn)定安全系數(shù)為1.31，當(dāng)沖刷深度分別為0.25m、0.50m 和0.75m 時(shí)，堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別減小至1.24、1.19 和1.09。隨著沖刷深度的增大，堤防穩(wěn)定安全系數(shù)相應(yīng)地減小5.34%、9.16%和16.80%。

圖6 為水位下降速率為0.30m/h 過程中，不同堤坡比在不同沖刷深度下迎水面安全系數(shù)變化圖。

圖6 水位下降階段不同沖刷深度堤坡安全系數(shù)變化圖

由圖6 可知，在水位下降過程中，沖刷深度對堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大。根據(jù)規(guī)范要求，堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)在水位下降過程中應(yīng)保證大于1.05。以堤坡比為1：1.5 的堤段為例，堤防未出現(xiàn)沖刷坑時(shí)，堤防穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為1.34，當(dāng)沖刷深度分別為0.25m、0.50m和0.75m 時(shí)，堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別減小至1.25、1.11和1.03。隨著沖刷深度的增大，堤防穩(wěn)定安全系數(shù)相應(yīng)地減小6.71%、17.16%和23.13%。

4 結(jié)論

（1）通過堤防迎水側(cè)穩(wěn)定安全系數(shù)變化規(guī)律可知，堤坡比為1：1.5 較1：2.0 的堤段邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)小36.64%，堤腳出現(xiàn)0.8m 的沖刷坑較堤腳處未出現(xiàn)沖刷堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)下降23.13%，且堤腳處若出現(xiàn)超過1m 以上沖刷坑，堤防可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，建議及時(shí)采取措施進(jìn)行加固處理。

（2）現(xiàn)狀堤防在水位快速下降過程中，迎水側(cè)堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)均較低；可采取堤腳處塊石加固防沖或?qū)⒌唐卤?：1.5 回填壓實(shí)至1：2.0 處理，提高迎水側(cè)抗滑穩(wěn)定性；迎水側(cè)堤坡可采用鋪設(shè)漿砌石護(hù)坡來提高堤防穩(wěn)定安全水平。