駁岸岸坡滲流及穩(wěn)定性分析

駁岸岸坡滲流及穩(wěn)定性分析

0滲流計(jì)算模型的建立城市河流可以實(shí)現(xiàn)防洪、除洪水和蓄水抗旱的效果。在研究邊坡、地基及壩體的變形和穩(wěn)定時(shí)滲流計(jì)算占有重要的地位本文根據(jù)福州晉安河某段駁岸岸坡的工程地質(zhì)條件,建立駁岸岸坡滲流計(jì)算模型,結(jié)合強(qiáng)度折減有限元法,研究了河床清淤深度、駁岸滲透系數(shù)、河水位高低對(duì)滲流場和穩(wěn)定性的影響。研究成果對(duì)駁岸岸坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及其加固具有理論及實(shí)際意義。11.1飽和土上的土穩(wěn)定滲流微分方程假定土和水不可壓縮,各向同性,針對(duì)飽和土單元體,結(jié)合達(dá)西定律,從質(zhì)量守恒方程得到飽和土穩(wěn)定滲流的微分方程,即:式中:上式含一個(gè)未知數(shù),結(jié)合邊界條件就有定解1.2減技術(shù)的要點(diǎn)強(qiáng)度折減技術(shù)的要點(diǎn)是利用式22.1材料模型和有限元模型計(jì)算段取自晉安河某河段的駁岸岸坡,岸坡由雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥組成,河床為淤泥。河床面不規(guī)則,標(biāo)高自駁岸坡腳向河中央減小。駁岸主要由干砌塊石組成,形式特殊,分布不似一般土層,為了能夠在邊坡模型中模擬駁岸,可將駁岸視為一種土體材料,由于從宏觀整體上對(duì)駁岸進(jìn)行模擬,故將此種材料近似為均質(zhì)各向同性。計(jì)算斷面見圖1,河床簡化為兩條相交的直線,在模擬中清淤表示為這兩條直線向下平移,圖中河床已清淤1m,最高點(diǎn)位于駁岸坡腳,高程3.6m,最低點(diǎn)1.85m;駁岸坡角75°,模型總長26m。根據(jù)實(shí)測資料,岸坡遠(yuǎn)端地下水位高程為5.6m,正常河水位4.2m。圖中河水位3.6m表示剛好淹沒全部河床時(shí)的水位線。用有限元軟件Plaxis進(jìn)行模擬,模型的邊界條件為底邊固定約束,高程-2m,岸坡和河床的側(cè)邊為水平約束。滲流的邊界條件設(shè)置模型底部、左側(cè)邊界為隔水邊界,水位以下為定水頭邊界,水位以上為零流量。有限元網(wǎng)格共剖分為481個(gè)單元,共3995個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖2。各材料土體均不考慮各向異性,計(jì)算中近似取2.22.2.1護(hù)岸邊坡穩(wěn)定滲透流場分析模擬河水位4.2m,駁岸滲透系數(shù)9.0×10(1)排水深度對(duì)滲透率的影響現(xiàn)狀河床,即計(jì)算模型中河床清淤深度已達(dá)1m?？紤]未清淤至清淤深度1.4m的過程。(2)流攜帶細(xì)顆粒土充填的排水效果駁岸塊石間的縫隙提供了水流的通道,能夠被滲流攜帶的細(xì)顆粒土充填影響其滲透系數(shù);有些駁岸段設(shè)有排水孔,加大了其排水性;也有漿砌加固段,滲透系數(shù)低。滲透系數(shù)分別取9.0×10(3)ph值對(duì)地下水滲流的影響根據(jù)河水位與河床、地下水位的關(guān)系,對(duì)五種不同河水位時(shí)的地下水滲流進(jìn)行模擬。河水位分別取3.2m、3.6m、4.2m、5.6m和6.2m。2.2.2護(hù)岸穩(wěn)定性分析基于駁岸數(shù)值模型,在上述三種變化因素影響下,結(jié)合強(qiáng)度折減有限元法分析駁岸岸坡的整體穩(wěn)定性,研究穩(wěn)定性的變化。33.1坡面水岸流速度分布河水位為4.2m,駁岸滲透系數(shù)9.0×10圖3(a)顯示了在正常河水位穩(wěn)定滲流下駁岸岸坡滲流速度的矢量分布。箭頭的方向代表流速的方向,箭頭的大小表示流速的大小。從圖中可以看出地下水浸潤線總體較緩,在駁岸中浸潤線坡度趨近于零,但在淤泥層中等水頭線間距小,水力梯度大,浸潤線較陡。圖3(b)反映了駁岸的滲流狀態(tài),在駁岸坡腳滲流流速較大滲流集中。3.1.1部分出露出露圖4為未清淤時(shí)的孔隙水壓力陰影圖,未清淤的河床最高點(diǎn)4.6m,坡腳河床部分出露。由浸潤線的位置可知,雖然河水位為4.2m,但由于坡腳河床的出露,地下水位線連續(xù)于河床,高出河水位。當(dāng)清淤超過0.4m,河床最高點(diǎn)降至4.2m以下,河水淹沒河床,浸潤線不再改變,如圖3(a)所示。3.1.2孔隙水壓力隨滲透系數(shù)的變化當(dāng)駁岸排水性能極差時(shí),取滲透系數(shù)9.0×10將圖5中駁岸內(nèi)某點(diǎn)A和淤泥層中某點(diǎn)B的孔隙水壓力隨滲透系數(shù)的變化關(guān)系反映在圖6中,兩點(diǎn)坐標(biāo)分別為(11.9,3.6)、(16.8,3.6)。孔隙水壓力的變化可以反映出浸潤線的變化,從圖6可以看出,當(dāng)滲透系數(shù)大于9×10注意到粉質(zhì)粘土和淤泥的滲透系數(shù)取值為3.0×103.1.3水文位與c點(diǎn)滲透速度的關(guān)系圖7顯示了不同河水位時(shí)穩(wěn)定滲流形成的浸潤線。當(dāng)河水位處于3.6m以下時(shí),如河水位為3.2m時(shí),河床部分出露,如前所述,此時(shí)浸潤線的形態(tài)主要受河床高低的影響,河水位的不同不影響浸潤線的形態(tài)。當(dāng)河水位高于3.6m時(shí),隨著河水位的增加,地下水浸潤線抬升,坡度變緩,土體中相應(yīng)點(diǎn)孔隙水壓力增加,駁岸表面河水作用呈線性分布的水壓力也越大。將圖中C點(diǎn)的滲透速度與水位關(guān)系繪出,定義水平分量指向坡外的滲透速度為正,如圖8。河水位在3.6m～5.6m之間時(shí),C點(diǎn)滲透速度隨水位的提升而減小至零,當(dāng)河水位高于5.6m時(shí),滲透速度的大小繼續(xù)增加,水平分量指向坡內(nèi)。表明河水位的提升減小了駁岸的水力梯度,使?jié)B流速度減小,導(dǎo)致水流對(duì)駁岸的滲透力減小,直到滲透力方向改變,有利于駁岸岸坡的穩(wěn)定性。3.23.2.1清淤解除駁岸表面反壓圖9為考慮滲流與不考慮滲流時(shí)駁岸穩(wěn)定性系數(shù)隨清淤深度的變化情況,圖10給出了未清淤和清淤1m強(qiáng)度折減后剪應(yīng)變?cè)隽考醋钗ｋU(xiǎn)滑動(dòng)面的分布。圖9在考慮滲流和不考慮滲流作用的工況中,清淤解除駁岸表面反壓,使駁岸岸坡穩(wěn)定性降低。對(duì)比兩條曲線可知,當(dāng)清淤小于0.5m,兩種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)幾乎一致;當(dāng)清淤超過0.5m,兩者的穩(wěn)定性系數(shù)有了明顯的差異,考慮滲流時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)高于不考慮滲流的工況。由3.1.1節(jié)的滲流分析并結(jié)合圖10可知,當(dāng)清淤小于0.5m時(shí),最危險(xiǎn)滑動(dòng)面全部或大部分位于地下水位以上,幾乎不受滲流作用的影響;當(dāng)清淤超過0.5m,清淤形成的新滑動(dòng)面受到坡外靜水壓力的作用,故穩(wěn)定性提高。3.2.2滲透系數(shù)對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響表2反映了穩(wěn)定性系數(shù)隨滲透系數(shù)的變化。當(dāng)滲透系數(shù)為9×103.2.3水文位升降控制穩(wěn)定性河水位與穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系如圖11。從圖11可知,隨著河水位的提高,駁岸岸坡穩(wěn)定性系數(shù)總體趨勢表現(xiàn)為提高,但也存在平穩(wěn)段,結(jié)合3.1.3節(jié)的滲流分析,敘述如下:(1)河水位3.2m～3.8m,穩(wěn)定性系數(shù)基本不變。表明當(dāng)河床部分出露時(shí),河水位的升降對(duì)駁岸穩(wěn)定性影響不大。分析原因?yàn)榈叵滤櫨€及河水位低于駁岸最危險(xiǎn)滑動(dòng)面,雖影響其他可能滑動(dòng)面的安全系數(shù),但對(duì)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的穩(wěn)定性幾乎不影響。(2)河水位3.8m～6.2m,穩(wěn)定性系數(shù)提高。分析原因?yàn)楹铀桓哂?.8m后,地下水位相應(yīng)的抬升,更多的駁岸段浸水導(dǎo)致有效下滑力減小,坡外水壓力增加且指向坡內(nèi),有利于穩(wěn)定性的提高。特別地,當(dāng)河水位高于5.6m后,由河水補(bǔ)給地下水,滲流方向改變,經(jīng)駁岸流向坡內(nèi),滲透力方向也由指向坡外轉(zhuǎn)變?yōu)槠聝?nèi),穩(wěn)定性提高,圖8也說明了這一點(diǎn)。4坡腳河口保水水質(zhì)分析(1)穩(wěn)定滲流時(shí),浸潤線是不隨時(shí)間改變的曲線,駁岸內(nèi)水力梯度幾乎為零,在駁岸坡腳滲流流速較大。(2)清淤使河床標(biāo)高降低,駁岸表面反壓解除,導(dǎo)致駁岸岸坡整體穩(wěn)定性降低。(3)當(dāng)駁岸坡腳河床最高點(diǎn)高于河水位時(shí),地下水位線緊貼坡腳河床表面,最危險(xiǎn)滑動(dòng)面高于浸潤線,穩(wěn)定性幾乎不受滲流的影響。當(dāng)清淤使河水淹沒河床,駁岸最危險(xiǎn)滑動(dòng)面末端位于河水位以下,考慮