基于FLAC 3D分析下河道岸坡填土體靜、動力場特征研究

劉延厚

(洛陽水利勘測設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000)

河道堤防安全穩(wěn)定性與岸坡密切相關(guān)[1-2]，而岸坡穩(wěn)定性牽涉面較廣，其填土體特征、堤防迎水側(cè)水位等均會影響岸坡在靜、動力場中表現(xiàn)[3-4]，故而評價堤防岸坡穩(wěn)定性不僅需要考慮靜力場安全系數(shù)變化，對地震動力作用下亦要開展研究，特別是地震地質(zhì)構(gòu)造帶活動區(qū)域。張慶海等[5]、張磊[6]、李西偉[7]根據(jù)岸坡填土體力學(xué)穩(wěn)定性問題，通過在室內(nèi)設(shè)計(jì)開展土體壓縮、剪切及滲透特性試驗(yàn)，獲得了岸坡填土體滲透、力學(xué)受自身因素影響變化特征，為岸坡加固提供了基礎(chǔ)試驗(yàn)依據(jù)。薛一峰等[8]、董武斌[9]利用ANSYS、FLAC 3D等仿真計(jì)算軟件建立了邊坡模型，以實(shí)際工況下所受荷載開展應(yīng)力、位移計(jì)算，分析邊坡安全穩(wěn)定性演化特征，為工程針對性建設(shè)提供計(jì)算佐證。岸坡填土體動力響應(yīng)特征關(guān)乎巖土體本構(gòu)響應(yīng)關(guān)系，梁學(xué)斌[10]、寇衛(wèi)鋒[11]、王學(xué)洲等[12]利用仿真手段可以提取地震波荷載，施加在岸坡土體上，研究岸坡自振特性及地震動響應(yīng)特征，為評價岸坡抗震特性提供綜合佐證。本文針對伊洛河流域內(nèi)典型岸坡多層填土體安全穩(wěn)定性問題，利用仿真手段分別開展了靜力場計(jì)算與EI Centro地震波動力響應(yīng)分析，為岸坡填土體加固處理提供參考。

1 工程設(shè)計(jì)模擬

1.1 工程概況

伊洛河堤防距城市中心區(qū)約5 km，輻射城區(qū)面積超過15.52 km2，全河道總長約為446.9 km，流域面積超過1.89 km2，在洛陽市境內(nèi)面積占比約為25%，設(shè)計(jì)加固堤防河道占境內(nèi)堤防長度的38%，伊洛河段平均河寬約202 m，過水?dāng)嗝婷娣e15 295～16 289 m2，高程約34.00 m。伊洛河上游建設(shè)有蓄水庫與泄洪閘，控制陜西與河南交界河段內(nèi)水利流量，最大泄流量為525 m3/s，區(qū)域內(nèi)最大降雨量日不超過800 mm。由于河南2021年“7·20”特大暴雨導(dǎo)致局部伊洛河堤防出現(xiàn)非穩(wěn)定性，局部堤防監(jiān)測傳感器得到滲透坡降及坡身壓強(qiáng)超過警戒值，表明洛陽市境內(nèi)伊洛河堤防出現(xiàn)不穩(wěn)定性，亟需加固防滲。目前伊洛河岸防洪堤防采用堆土壩，市區(qū)內(nèi)長度為5～9 km，堤頂高程約36.8～38.6 m，堤頂寬度6～10 m，設(shè)計(jì)有交通車道等，但局部區(qū)段內(nèi)堤防頂路面受堤身水土流失及水力沖刷作用，硬化路面破損較嚴(yán)重，交通極易擁堵。根據(jù)對伊洛河堤防勘測得知，全長河道受水土流失影響差異較大，在洛陽伊洛河境內(nèi)開始樁號T0+000～T0+860，河段內(nèi)含沙量低于5 kg/m3，河流內(nèi)水生態(tài)體系較佳，無顯著水土流失作用，堤頂高程37.0～38.0 m，究其根本乃是其堤身采用生態(tài)護(hù)坡與混凝土砌塊硬化結(jié)合形式設(shè)計(jì)[13]，有效確保了堤身安全穩(wěn)定性，堤身內(nèi)最大滲透坡降不超過0.22，坡內(nèi)孔隙水壓力穩(wěn)定在40 kPa以下。在洛河與伊河交界匯入處，即樁號TO+860～T1+880，堤坡較陡，此區(qū)段內(nèi)為重點(diǎn)加固段，采用碎石土分層壓實(shí)，實(shí)際效果還有待進(jìn)一步探討。由于伊洛河乃是洛陽境內(nèi)主要地表水來源，也構(gòu)成了區(qū)域內(nèi)各大小支流匯入目的地，因而，伊洛河堤防不僅需要考慮迎水側(cè)滲流安全，對背水側(cè)靜力場穩(wěn)定性也必須考慮，特別是堤防加固段由于工程填土擾動等影響，導(dǎo)致局部堤防岸坡出現(xiàn)覆土增大等效應(yīng)。在伊洛河堤防樁號T3+120～T4+340區(qū)段內(nèi)，由于堤頂高程起伏影響，采用堤防心墻壩形式，如圖1幾何設(shè)計(jì)模型，防浪墻可有效降低堤身受水力沖刷影響，但該區(qū)段內(nèi)也受河道清淤影響，堤身岸坡覆蓋有填土體。從河道防洪堤防安全考慮，多個區(qū)段內(nèi)堤防受到上覆填土影響，特別是在防滲加固段內(nèi)，此對堤防安全穩(wěn)定性具有影響，當(dāng)河道水位出現(xiàn)驟降等不利工況時，堤段內(nèi)岸坡極易受威脅。為此，工程設(shè)計(jì)部門考慮在進(jìn)行防滲加固施工前，開展對重點(diǎn)河段堤防岸坡上覆填土體穩(wěn)定性研究，確保工程建設(shè)安全。

圖1 心墻堤壩幾何模型

1.2 工程設(shè)計(jì)

針對伊洛河堤防岸坡填土體安全，本文以堤防加固段T1+800處岸坡為分析對象，該處岸坡填土體按照分層堆筑，每層高度為1 m，共有6層，坡度1/2.5，底部按照圖1心墻堤壩設(shè)計(jì)形式，設(shè)置有石籠擋墻結(jié)構(gòu)，高度為5.5 m?；诠こ虒?shí)際，采用FLAC 3D仿真平臺建立岸坡幾何模型[14]。

經(jīng)網(wǎng)格劃分獲得靜力場計(jì)算模型，所得網(wǎng)格26 128個，節(jié)點(diǎn)數(shù)12 783個。坡內(nèi)土體以粉質(zhì)壤土、砂土物理力學(xué)參數(shù)設(shè)定，而填土體按照岸坡實(shí)際土體實(shí)測土工參數(shù)計(jì)算。由于計(jì)算模型中實(shí)質(zhì)上是多層填土體構(gòu)成，而每層填土體交界面上的摩擦度與其壓實(shí)度密切相關(guān)，筆者為探討分層壓實(shí)度效果對岸坡填土體穩(wěn)定性影響，在有限元模型中以填土體交界面摩擦系數(shù)反映分層壓實(shí)度，分別設(shè)定壓實(shí)度為50%、60%、70%、80%、90%，相應(yīng)土層交界面上滲透系數(shù)分別設(shè)定為9.2×10-5cm/s、9.0×10-5cm/s、8.8×10-5cm/s、8.6×10-5cm/s、8.4×10-5cm/s，堤防迎水側(cè)水位分別設(shè)定為19.5 m、21.5 m、23.5 m、25.5 m、27.5 m、29.5 m、31.5 m，探討在不同工況下堤防岸坡填土體靜力與動力穩(wěn)定性特征。

2 堤壩岸坡填土體靜力學(xué)特征

2.1 迎水側(cè)水位影響

根據(jù)對不同迎水側(cè)水位工況下岸坡填土體開展靜力計(jì)算，獲得各工況中岸坡應(yīng)力分布特征，如圖2所示。從圖中可看出，當(dāng)迎水側(cè)水位愈高，則岸坡填土體應(yīng)力分布水平愈大，在水位19.5 m工況下岸坡內(nèi)最大應(yīng)力為841.2 kPa，而水位23.5 m、25.5 m工況下岸坡最大應(yīng)力較前者分別增長了27.3%、42.5%，當(dāng)從整體迎水側(cè)水位影響填土體應(yīng)力水平可知，迎水側(cè)水位每增長2 m，則岸坡內(nèi)最大應(yīng)力水平可增長11.4%。分析表明，當(dāng)?shù)谭烙畟?cè)水位增大，其對岸坡內(nèi)土體水力滲透作用加大，進(jìn)一步導(dǎo)致土體內(nèi)形成滲透通道，無形中增大了土體滑移可能性，進(jìn)而導(dǎo)致坡內(nèi)應(yīng)力水平增大[15]。分析坡內(nèi)應(yīng)力分布特征可知，在各工況中，岸坡填土體應(yīng)力從坡頂至坡底，均為遞增狀態(tài)；以水位23.5 m工況下為例，其在坡體表面上應(yīng)力水平約為88 kPa，而在坡底處應(yīng)力水平增大了10倍。因而，從堤防護(hù)坡設(shè)計(jì)考慮，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注堤防坡底部位，此處應(yīng)力主要受到上覆填土體影響。

圖2 岸坡應(yīng)力分布特征

同理，可獲得不同水位工況下岸坡內(nèi)位移分布特征，如圖3所示。根據(jù)圖中位移分布可知，迎水側(cè)水位與坡內(nèi)最大位移為正相關(guān)變化，在水位23.5 m工況下最大位移為0.673 m，而水位25.5 m、29.5 m工況下最大位移較之分別增大了19.2%，當(dāng)水位每增大2 m，平均可導(dǎo)致坡內(nèi)填土體最大位移增長12.3%。從位移分布來看，其在坡內(nèi)各高程上演變特征與應(yīng)力演化有所類似，均從坡頂至坡底為遞增，此也表明了岸坡內(nèi)應(yīng)力、位移的來源為土體自重[16]，從護(hù)坡設(shè)計(jì)考慮，應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)土體自重應(yīng)力導(dǎo)致的滑坡失穩(wěn)。

圖3 岸坡位移分布特征

根據(jù)對不同水位工況下岸坡穩(wěn)定性計(jì)算，獲得了各工況下堤防岸坡安全穩(wěn)定系數(shù)變化特征，如圖4所示。分析安全系數(shù)變化可知，堤防迎水側(cè)水位愈大，則岸坡安全系數(shù)愈低，水位每增大2 m，岸坡安全系數(shù)平均可遞減18.3%；但不可忽視，安全系數(shù)降幅處于增大的過程，在水位為19.5～25.5 m方案內(nèi)，安全系數(shù)平均降幅僅為7.1%，但水位超過25.5 m后，安全系數(shù)最大降幅達(dá)38.4%，平均降幅為35.1%，甚至在水位29.5 m工況下安全系數(shù)低于1。由此可知，堤防迎水側(cè)水位處于安全運(yùn)營期，仍然會對岸坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大威脅，故岸坡加固很有必要。

圖4 堤防岸坡安全穩(wěn)定系數(shù)變化特征

2.2 分層壓實(shí)度影響

根據(jù)對不同壓實(shí)度下岸坡填土體靜力場計(jì)算，獲得岸坡內(nèi)應(yīng)力分布特征，如圖5所示。分析圖中應(yīng)力分布可知，當(dāng)填土體分層壓實(shí)度改變，各工況下岸坡應(yīng)力分布差異性較小，而最大應(yīng)力增幅也較小，在壓實(shí)度50%下最大應(yīng)力為83.8 kPa，而壓實(shí)度70%、90%下最大應(yīng)力分別為84.1 kPa、84.3 kPa，表明壓實(shí)度對岸坡填土體內(nèi)應(yīng)力水平影響較小。

圖5 各壓實(shí)度方案下岸坡應(yīng)力分布

圖6、圖7為各工況下岸坡內(nèi)位移分布與變化特征。從圖中可知，當(dāng)在水位23.5 m時，壓實(shí)度以20%的差異對比，仍然不改變各方案下位移基本相近的現(xiàn)象，3個壓實(shí)度工況下最大位移的差距最大僅為0.1%，基本均穩(wěn)定在0.738 m左右。而對比其他水位下壓實(shí)度工況也可知，基本上壓實(shí)度的差異，對位移特征無顯著影響，同一水位下各壓實(shí)度工況內(nèi)的位移特征基本表現(xiàn)一致，此種現(xiàn)象與應(yīng)力受之影響類似。

圖6 各壓實(shí)度方案下岸坡位移分布

圖7 各壓實(shí)度方案下岸坡最大位移變化

根據(jù)靜力場計(jì)算獲得各壓實(shí)度工況下岸坡安全穩(wěn)定系數(shù)變化特征，如圖8。分析安全系數(shù)演變可得知，同一水位下，壓實(shí)度增大，安全系數(shù)稍有增長，在水位25.5 m工況下，壓實(shí)度每增大10%，安全系數(shù)平均可提高3.9%，而在其他水位下，安全系數(shù)隨壓實(shí)度變化而影響平均增幅為3%～4%，即壓實(shí)度的提高，有利于岸坡穩(wěn)定性，但促進(jìn)效應(yīng)有限。

圖8 各壓實(shí)度方案下岸坡安全系數(shù)變化

3 堤壩岸坡填土體動力學(xué)特征

基于EI Centro地震波輸入[17]，設(shè)置地震水平系數(shù)為0.5，峰值加速度設(shè)定為0.25 g，計(jì)算獲得岸坡填土體穩(wěn)定性特征及地震動響應(yīng)特性，圖9為地震作用下岸坡填土體內(nèi)應(yīng)力、位移分布特征。

從圖中可看出，在地震動力作用下，其最大應(yīng)力分布為819.4 kPa，較之靜力作用下，地震動力水平作用受靜水壓力削弱平衡影響，導(dǎo)致填土體最大應(yīng)力水平并未達(dá)到1000 kPa，相比靜力場下最大應(yīng)力，動力作用下最大應(yīng)力增長約為10倍。從位移分布特征可知，與靜力場位移分布有所差異的是，地震動力作用下最大位移分布由坡底轉(zhuǎn)移至上覆填土體區(qū)域，且在0.25 g峰值加速度地震波作用下，岸坡上覆填土體接近臨界破壞。

針對岸坡填土體地震動影響特征，本文以六層填土體接觸面上特征點(diǎn)作為分析對象，獲得典型層面上地震動加速度響應(yīng)特征，如圖10所示。從各層面上峰值加速度響應(yīng)值可知，第一層面上峰值加速度響應(yīng)值為0.045 m/s2，而在第三、第五層面上峰值加速度較前者分別增長了82.2%、4.56倍，從第一層至第五層填土層面上峰值加速度響應(yīng)值均為遞增。從填土體分層特征可知，第一至五層高程上為從坡頂延伸至坡內(nèi)，故坡內(nèi)峰值加速度響應(yīng)表現(xiàn)以填土體下部更為顯著，失穩(wěn)破壞也是從填土體下部開始[18]。

圖9 地震作用下填土體內(nèi)應(yīng)力、位移分布特征

圖10 填土體加速度響應(yīng)特征

圖11為地震動作用下岸坡內(nèi)各計(jì)算階次內(nèi)的位移響應(yīng)特征。分析圖中各層面位移特征可知，第一、三、五層面上位移響應(yīng)最大值分別為0.025 m、0.015 m、0.022 m，對比各層面位移響應(yīng)值可知，填土體中部較為穩(wěn)定，位移響應(yīng)值低于上、下部，故填土體的加固處理重點(diǎn)應(yīng)在填土體表面與下部區(qū)域。

圖11 填土體位移響應(yīng)特征

4 結(jié) 論

(1)堤防迎水側(cè)水位愈高，則岸坡填土體應(yīng)力與位移水平愈大，但岸坡安全系數(shù)為遞減，水位每增長2 m，則最大應(yīng)力與最大位移可增長11.4%、12.3%，而安全系數(shù)平均可遞減18.3%；岸坡填土體應(yīng)力、位移均從坡頂至坡底為遞增演變。

(2)分層壓實(shí)度對岸坡填土體應(yīng)力、位移分布影響較小，壓實(shí)度50%、70%、90%工況下最大位移基本均穩(wěn)定在0.738 m；壓實(shí)度增大，安全系數(shù)稍有增長，但增幅有限，安全系數(shù)隨壓實(shí)度變化而增幅平均為3%～4%。

(3)地震動力作用下填土體最大應(yīng)力未超過1 MPa，最大位移分布由坡底轉(zhuǎn)移至上覆填土體區(qū)域；岸坡峰值加速度響應(yīng)表現(xiàn)以填土體下部更為顯著，而填土體中部位移最為穩(wěn)定。