水流沖刷作用對岸坡滲流影響的有限元分析

張慶海，武立華，周利軍，趙 健

(1.綏化學(xué)院 農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152000；2.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

岸坡與一般邊坡有所不同，一方面坡體受到河水浸泡，使坡體內(nèi)部地下水位隨著河水的漲落而不斷發(fā)生變化，從而其內(nèi)部滲流場也會隨之發(fā)生變化；另一方面，坡體還不斷承受水流、波浪的沖擊和沖刷，其形態(tài)也在不斷的發(fā)生著變化，坡體在水流動力作用下坡腳會不斷地垂直下切，同時坡面橫向展寬。對于天然的土質(zhì)河岸，水流沖刷使坡體下部的土體被水流挾走而越來越少，下部出現(xiàn)臨空帶，岸坡變陡、岸高增加，從而導(dǎo)致岸坡坍塌，坍塌后的土體在岸坡前淤積，水流又開始新的沖刷，淤積物被水流沖走，又開始新的崩塌和沖刷[1-3]。岸坡沖刷破壞時需要考慮因素有很多，并且岸坡發(fā)生沖刷破壞時的剖面也千差萬別[4]。國內(nèi)外對于水流沖刷力、岸坡抗沖力、沖刷模型以及岸坡在沖刷作用下穩(wěn)定性的研究均取得一定的進展，但是仍然還有很多的問題存在?，F(xiàn)有的沖刷模型及沖刷作用下岸坡穩(wěn)定性的分析仍有很多局限性，并不能真切實際地反映岸坡在沖刷作用下的真實變形及破壞形式，因此，如何將水流的沖刷與岸坡的穩(wěn)定性徹底的結(jié)合到一起進行分析，以及綜合的考慮水流沖刷力、滲透力與岸坡的自重應(yīng)力的耦合應(yīng)力場的分析，將是今后滲流作用下岸坡穩(wěn)定性分析的重點。

1 水流沖刷岸坡坡段概況

本文分析坡段為松浦大橋附近阿勒錦島，位于哈爾濱松花江江心，標(biāo)高為116.74m，南北與哈爾濱市區(qū)相望，哈佳鐵路橋與公路橋跨越島嶼的東部，西部隔賓洲鐵路橋與哈爾濱著名旅游景點太陽島相望[5]。阿勒錦島岸坡坡體的地質(zhì)資料參考周邊建筑勘察報告，通過對周邊建筑勘察報告的分析，借鑒其地層勘測資料，可將岸坡土體劃分為可塑粉土夾細砂層、細砂夾很薄的粉質(zhì)粘土層和含粗礫河床中砂層。各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 有限元模型的參數(shù)與工況設(shè)定

2.1 有限元模型參數(shù)設(shè)定

本文采用Abaqus有限元數(shù)值分析軟件來建立水位升降變化下的岸坡準(zhǔn)三維有限元模型，河床的寬度取15m，高取15m，沿著水流方向岸坡的長度取25m[6]。模型中采用Gravity Load載荷類型來定義岸坡的重力荷載，當(dāng)選用此方式定義重力時，Abaqus/Standard是基于總孔壓來進行滲流分析的，需要定義初始孔隙壓力。在inp文件中進行設(shè)定：*Initial Conditions, Type =Pore Pressure；將枯水位時的應(yīng)力位移狀態(tài)作為后續(xù)分析的初始狀態(tài)，保存為.txt格式。后續(xù)分析中通過在Inp中定義語句來調(diào)用初始應(yīng)力狀態(tài)。

*Initial Conditions, Type=Stress, Input=xxx.txt。通過采用Soils分析中的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)分析來實現(xiàn)模型上升后穩(wěn)定水位或者水位升降變化的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)滲流分析。模型網(wǎng)格的劃分采用六面體方式，如圖1所示，在滲流的分析中需要單元具備孔壓自由度，所以單元類型定義為C3D8P八節(jié)點六面體單元，三向線性孔隙壓力。劃分比例為1.5，共7565個單元。在模擬分析過程中底面固定約束，并約束岸坡和河床側(cè)面相應(yīng)的水平位移。

圖1 岸坡有限元計算網(wǎng)格劃分型

2.2 有限元模型工況設(shè)定

根據(jù)歷年松花江水位的變化情況，選定了兩種工況進行計算：①工況1，水位112m時；②工況2，水位115m時。分別對應(yīng)于圖2里的水位1、水位2。計算中各級水位所采用的流量為：672.8m3/s(水位1)，1303.7m3/s(水位2)；水的密度為1000kg/m3。工況分析步驟如下：

圖2 計算剖面簡圖

(1) 對無水流情況下的河床及坡體進行自重應(yīng)力作用下的初始地應(yīng)力分析，將自重應(yīng)力場作為本次分析的初始應(yīng)力場；

(2) 水位為2m時的滲流應(yīng)力耦合分析(工況1)：

step1：將(1)的計算結(jié)果作為初始應(yīng)力場，進行地應(yīng)力平衡；

step2：枯水位下的滲流應(yīng)力耦合分析。

(3) 水位上漲至5m后的滲流應(yīng)力計算(工況2)：

step1：將(2)的計算結(jié)果作為初始應(yīng)力場，進行地應(yīng)力平衡；

step2：水位上漲至5m后的滲流應(yīng)力分析。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 河床及岸坡的自重應(yīng)力場分析

無水流作用下岸坡的自重應(yīng)力場分析結(jié)果如圖3所示。自重應(yīng)力場作用下的岸坡變形場、自重作用下的岸坡位移場如圖4所示。從圖4(a)可以看出，岸坡的最大負(以圖示x軸指向為正)水平位移出現(xiàn)在岸坡與河床的中下部。從圖4(b)可以看出，自重應(yīng)力作用下岸坡的沉降在坡頂出現(xiàn)最大的沉降，沉降深度約為5.681cm。

圖3 自重應(yīng)力場(單位KPa)

(a)自重應(yīng)力作用下的水平位移

(b)自重作用下的沉降分布圖圖4 自重作用下的位移場(單位：m)

3.2 不同水位下水流沖刷作用對岸坡滲流的影響

圖5、圖6分別反映了兩種工況下岸坡的滲流流速的分布情況。從以上不同工況下的滲流流速等值線分布圖可以看出：

(1) 無論在不同水位條件下還是是否考慮水流的沖刷作用下，岸坡的最大滲透流速均位于坡腳；說明無論在什么情況下，坡腳處都是受滲流的影響最大以及最易出現(xiàn)滲透破壞的位置；

(2) 隨著水位的升高，坡腳及坡體內(nèi)的滲透流速逐漸減小，這與隨著水位升高坡內(nèi)外的水位高差逐漸減小有關(guān)，與達西定律等描述的相符，即水頭梯度越大，滲透流速越大，發(fā)生滲透破壞的可能性越大；

(3) 對比圖5與圖6的(a)(b)兩圖可以發(fā)現(xiàn)，考慮沖刷作用時與不考慮沖刷作用時的滲流流速分布基本一致，但是在考慮沖刷作用時，滲透流速略有增大，說明水流的沖刷作用增大了坡腳發(fā)生滲透破壞的可能性。如圖，不考慮沖刷作用時，坡腳的最大滲流流速為8.038×10-5m/s，而考慮沖刷作用時為8.576×10-5m/s。

(a)不考慮沖刷作用時

(b)考慮沖刷作用時圖5 滲流流速等值線分布圖(工況1，單位：m/s)

(a)不考慮沖刷作用時

(b)考慮沖刷作用時圖6 滲流流速等值線分布圖(工況2，單位：m/s)

3.3 不同水位下水流沖刷作用對岸坡位移場的影響

圖7、圖8反映工況1下岸坡在水流沖刷作用下位移場的分布情況。

(a)水平位移

(b)豎向位移圖7 不考慮沖刷作用下的位移云圖(工況1，單位：m)

(a)水平位移

(b)豎向位移圖8 考慮沖刷作用下的位移云圖(工況1，單位：m)

圖9、圖10分別反映工況2下岸坡在水流沖刷作用下位移場的分布情況。

(a)水平位移

(b)豎向位移圖9 不考慮沖刷作用下的位移云圖(工況2，單位：m)

(a)水平位移

(b)豎向位移圖10 考慮沖刷作用下的位移云圖(工況2，單位：m)

從以上位移云圖分析可得：

(1) 圖7(a)與圖9(a)對比可得，隨著水位的逐漸升高，岸坡的最大負向水平位移逐漸的向坡腳處移動，負向水平位移對岸坡的整體穩(wěn)定不利，負向水平位移的增大，很有可能會使坡腳處發(fā)生局部滑動破壞，從而導(dǎo)致岸坡的整體失穩(wěn)，說明隨著水位的不斷升高，坡腳處是受影響最大及最容易發(fā)生滑動破壞的位置。

(2) 從以上四圖的(a)圖對比可得，在不同水位下，水流的沖刷力均提高了岸坡的負向水平位移，說明水流的沖刷力增大，增加了岸坡失穩(wěn)、發(fā)生滑動破壞的可能性。

(3) 對比圖7(b)和9(b)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著水位的升高，岸坡整體的豎向沉降增大，并且發(fā)生最大沉降的位置均位于坡頂處。

(4) 對比上述四圖的(b)圖發(fā)現(xiàn)，水流的沖刷作用增大了岸坡的整體豎向沉降。

為了能夠更明確的反映水流的沖刷作用對在不同水位時的岸坡滲流場及位移場的影響，現(xiàn)追蹤坡腳處一點A的滲流及位移變化，如圖10(b)中所示，將點A處在不同水位下的滲流及位移分析結(jié)果總價歸納如表2所示。

表2 追蹤點A計算分析結(jié)果

通過對表2中A點的計算分析結(jié)果可以看出來，在不同水位下，水流的沖刷作用均使A點處的滲流流速增大了；在水位2m與5m時，沖刷作用使得A點的滲流流速增加幅度分別為：6.69%和16.95%，可見，隨著水位的升高，水流的沖刷作用對坡腳處的影響作用在不斷的提高。從表2中還可以看出，水流的沖刷作用對A點的水平和豎向位移均有一定的作用，為了能夠更加清晰的反映出水流沖刷對岸坡位移場作用的規(guī)律，現(xiàn)將A點的計算結(jié)果以圖形的形式表示出來，如圖11所示。從圖11可以看出，隨著水位的上升，坡腳處A點的負方向水平位移逐漸的增大，岸坡的穩(wěn)定性逐漸的降低，并且隨著水位的升高，水流沖刷作用對坡腳處A點水平位移的影響越來越大，坡腳處點A的水平位移增加的幅度也越來越大，水位2m時，沖刷作用下水平位移增加幅度為19.41%，當(dāng)水位為5m時，增加幅度為33.51%。

圖11 不同水位條件下A點的位移計算結(jié)果

從以上的分析可知，水流的沖刷作用對坡腳處的局部滲流場和位移場具有較大的影響，從而對岸坡的穩(wěn)定性造成不利的影響，并且該影響隨著水位的升高而逐漸的增加。

4 結(jié)論

基于Abaqus有限元數(shù)值分析軟件，建立了綜合考慮滲透力、自重應(yīng)力以及水流沖刷力的阿勒錦島岸坡分析模型，對其進行了水流沖刷作用下滲流場的變化情況的分析，分析結(jié)果匯總?cè)缦隆?/p>

(1) 在無水流作用時，岸坡的豎向沉降從坡頂?shù)胶哟渤手饾u減小的趨勢；最大的沉降位置位于坡頂處，最大負方向水平位移出現(xiàn)在岸坡的中下部，最大正方向位移出現(xiàn)在坡頂處。

(2) 無論是否考慮水流的沖刷作用，岸坡的最大滲流流速均位于坡腳，說明坡腳位置是受滲流影響最大且最容易發(fā)生滲透破壞的位置；坡腳處的滲流流速隨著水位的升高而逐漸的減小。

(3) 考慮水流的沖刷作用時，坡腳處的滲流流速有所增大，說明沖刷作用提高了坡腳處發(fā)生滲透破壞的可能性；岸坡的豎向位移相對于水平位移來說，改變的不明顯，而不利于岸坡穩(wěn)定的最大負方向水平位移在水流的沖刷作用下卻明顯增加了，說明水流的沖刷作用提高了岸坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性。

(4) 不考慮水流的沖刷作用時，隨著水位的升高，岸坡水平位移和豎向位移均有不同程度的增加，但水平位移增加的相對較為明顯，并且隨著水位升高，不利于岸坡穩(wěn)定的最大負方向水平位移逐漸的向坡腳處移動，說明水位的升高對阿勒錦洲岸坡的穩(wěn)定有較大的影響。