不同水位驟降速度下的混合堤防邊坡穩(wěn)定性分析

韓 雷，王理想，劉發(fā)智

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

2013年黑龍江流域發(fā)生較大洪水災(zāi)害，由此而發(fā)生的堤防潰堤造成了廣大人民群眾的生命和財產(chǎn)損失。在洪水過后黑龍江省水利科學(xué)研究院研究團(tuán)隊現(xiàn)場踏勘部分潰堤斷面，在收集資料基礎(chǔ)上提出了因潰堤而引起的水位驟降對堤防邊坡穩(wěn)定性影響的相關(guān)問題。

趙宇坤等[1]在對黃河流域下游堤防的洪水浸泡和水位驟降的邊坡抗滑穩(wěn)定性研究中，得出了不同降速下穩(wěn)定性系數(shù)和評價結(jié)論，但是黃河流域下游以黏性土為主，對由砂性土和黏性土混合填筑為主的堤防沒有研究。劉新喜等[2]和鄭穎人等[3]主要對水庫水位驟降對庫區(qū)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。國內(nèi)外對水位驟降對堤防邊坡穩(wěn)定性的影響研究較少。本文在前人研究基礎(chǔ)上，對黑龍江流域混合堤防因水位驟降而引起的滲流穩(wěn)定性和抗滑穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究，提出抗滑穩(wěn)定性系數(shù)和水位驟降速度的關(guān)系，為黑龍江流域堤防建設(shè)提供參考。

1 水位驟降的定義

由國內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究[4-5]和《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)中對堤防工程水位驟降的定義，K/uv<1/10作為水位驟降判斷的標(biāo)準(zhǔn)，其中K為滲透系數(shù)，u為給水度，v為水位降速。換算為水位下降速度為v>10K/u發(fā)生驟降，粉土滲透系數(shù)K=0.000 25 cm/s，給水度u=0.045，則水位降速大于0.05 cm/s時可定義為混合堤防水位驟降。研究采用三種不同驟降速度來模擬典型堤防洪水浸泡30 d后水位驟降滲流穩(wěn)定性，三種降速分別為：0.05 cm/s，0.10 cm/s和0.15 cm/s?，F(xiàn)以0.05 cm/s為例計算洪水長期浸泡工況下的水位驟降，其他兩種工況計算結(jié)果在文中不再贅述。

2 典型混合堤防斷面選取和土層物理力學(xué)參數(shù)

研究團(tuán)隊對黑龍江流域堤防工程地質(zhì)情況進(jìn)行了資料調(diào)研，發(fā)現(xiàn)工程治理前黑龍江流域混合堤很多，治理工程中很多堤防對堤身進(jìn)行加高培厚，加高培厚土料中砂性土占了很大比例。根據(jù)調(diào)研選取黑龍江流域某堤段為研究對象，該典型段長度較長且2013年特大洪水時為險工弱段，附近堤防出現(xiàn)過滲流、決堤等險情。地質(zhì)分層老堤為低液限粉土+低(高)液限黏土+細(xì)砂，加高培厚為粉土質(zhì)砂，透水性強(qiáng)。該典型堤段土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 典型堤防斷面土層物理力學(xué)參數(shù)

選取典型斷面并建立有限元計算模型(見圖1)，共1737個單元，1835個節(jié)點(diǎn)。典型斷面經(jīng)過30 d長期浸泡后，水位由56.4 m快速下降到坡底，下降高度2.0 m。細(xì)礫層以下為不透水層，各層由上到下分別為細(xì)砂、黏性土和細(xì)礫。

圖1 典型斷面和有限元計算模型

3 典型堤防斷面滲流穩(wěn)定性

利用飽和-非飽和理論，采用SEEP/W計算軟件對典型斷面水位驟降下滲流穩(wěn)定性進(jìn)行計算。初始浸潤線如圖2所示，迎水側(cè)水位56.4 m，堤后水流出逸點(diǎn)位于堤腳處。根據(jù)該斷面的土工試驗分層統(tǒng)計，各層土的物理性質(zhì)如表2所示。計算出各層土的臨界水力坡降，若安全系數(shù)取2，則各層土的允許水力坡降計算結(jié)果見表3。

圖2 典型斷面初始滲流場的流速矢量圖與浸潤線(長期浸泡)

表2 各層土的物理性質(zhì)

表3 堤身堤基土的允許水力坡降值

圖3 典型斷面水位驟降下滲流場的xy比降圖

圖3為典型斷面滲流場的xy比降圖，在圖中可以看出，比降變化集中發(fā)生在迎水側(cè)坡腳處，比降最大值為1.00，坡降黏土層大部分區(qū)域比降為0.60，大于黏土層發(fā)生流土的允許坡降0.47，黏土層有向細(xì)礫層發(fā)生流土的可能性。各層土計算滲透坡降分別為：粉細(xì)砂層水流出逸點(diǎn)位置坡降為0.20，小于允許坡降0.45，發(fā)生流土的可能性不大。細(xì)礫層計算滲透坡降小于0.20，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許坡降，不會發(fā)生流土和管涌。

4 不同降速下抗滑穩(wěn)定性分析

對典型斷面不同降速下堤防邊坡抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行研究，這里只繪制0.05 cm/s時降速的計算結(jié)果。圖4為水位驟降后不同時刻堤防浸潤線位置圖，從圖中可以看出，在水位驟降后浸潤線快速下降，24 h后堤防浸潤線基本穩(wěn)定。水位驟降下對迎水坡邊坡的不利影響明顯大于背水坡，所以計算邊坡抗滑穩(wěn)定性系數(shù)時只計算迎水坡邊坡的抗滑穩(wěn)定性。

圖4 不同時刻水位驟降下堤防浸潤線位置

圖5 不同水位驟降速度下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

圖5為不同水位驟降速度下的堤防邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算值。在水位驟降工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)快速降低。下降速度越大迎水坡邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低越大。當(dāng)水位降速達(dá)到0.15 cm/s時，水位驟降速度再大對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)影響不大，這時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低程度取決于土體的滲透系數(shù)。

5 結(jié) 論

通過對黑龍江流域典型混合堤防的分析計算可以得出以下結(jié)論：

(1)典型堤防在洪水位時、水位驟降情況下迎水坡有發(fā)生流土的可能性。

(2)水位驟降對堤防迎水坡邊坡的滲流穩(wěn)定性和抗滑穩(wěn)定性不利，水位驟降下迎水邊坡抗滑穩(wěn)定性系數(shù)快速下降。

(3)不同水位驟降下，降速越大堤防邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低越快。當(dāng)降速達(dá)到0.15 cm/s時，降速對迎水坡邊坡抗滑穩(wěn)定性影響較小。

(4)水利工程抗洪搶險中，發(fā)生潰壩后要嚴(yán)格關(guān)注由于潰壩引起的水位驟降對堤防邊坡穩(wěn)定性的影響。