水流冲蚀作用下的河岸边坡稳定性分析

摘要：随着我国水利工程建设的飞速发展，形成了大量新河岸，新河岸土体极易被水流冲蚀流失，诱发地质灾害，对人民的生命财产安全造成严重威胁。本文通过ABAQUS分析水流冲蚀作用下粘性土河岸边坡稳定性随时间的变化规律，发现河岸边坡的稳定系数随着水流冲蚀时间而下降;随着冲蚀时间的推移，河岸边坡稳定系数下降明显加快。本文通过水流冲蚀作用下河岸边坡稳定性研究将对河岸边坡的防护与监测起到现实的指导意义。

Abstract： With the rapid development of the construction of water conservancy projects in China， a large number of new river banks have been formed. The new river bank soil is easily eroded by water flow， causing geological disasters and posing a serious threat to the safety of people's lives and property.  In this paper， the ABAQUS is used to analyze the change law of the stability of the river bank slope under the action of water erosion， and it is found that the stability coefficient of the river bank slope decreases with the current erosion time; as the erosion time passes， the decline in the stability coefficient of the river bank slope has accelerated significantly. In this paper， the study on the stability of river bank slopes under the action of water flow erosion will have a practical guiding significance for the protection and monitoring of river bank slopes.

關键词：粘性土;河岸边坡;水流冲蚀;稳定性

Key words： clay;river bank slope;erosion;stability

中图分类号：TV223                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）21-0238-03

1  研究背景

随着我国大型水利工程的建设，河岸侵蚀成为近几年的研究重点，尽管在这之前有不少学者[1-5]进行过探索，但河岸侵蚀的研究仍任重道远。洪水季节，高流速水流对河岸边坡冲蚀破坏严重，并带走大量土体，致使河岸边坡形态随时间发生变化，导致河岸边坡稳定性发生变化，准确分析洪水冲蚀作用下河岸边坡稳定性随时间的变化规律能预防洪水灾害的发生，保证人们的生命财产安全。

2  水流冲蚀作用下河岸边坡失稳机理

当水流流速大于土体的起动流速时，水流的切应力大于土体的起动切应力，土体表面迅速冲蚀破坏[6]，土粒微团离开土体骨架被水流带走，则河岸边坡在水流冲蚀作用下随时间变得陡峭，临空面增加，使局部区域土体稳定性极具下降，局部区域土体垮塌，从而改变整个边坡的受力状态，致使河岸边坡稳定性降低。

3  水流冲蚀作用下的河岸边坡稳定性分析

本文将通过ABAQUS分析水流冲蚀作用下粘性土河岸边坡稳定性随时间的变化规律，对河岸边坡进行简化，如图1所示，由于河岸边坡大多为粘性土，因此本文假设河岸边坡为均质粘性土体，在水流的作用下河岸边坡冲蚀破坏，随着时间的流逝河岸边坡迎水面土体逐步流失，不同的时刻对应不同的河岸形态，因而河岸边坡的稳定性也随之发生变化。

3.1 河岸边坡数值模型建立

本文目的在于揭示水流冲蚀作用对河岸边坡稳定性的影响，通过计算确定河岸边坡土体随着水流冲蚀粘土颗粒流失量对边坡空间形态的改变量，接着通过ABAQUS中边坡稳定性分析模块确定某一时刻的稳定系数。根据河岸边坡空间形态与组成假设边坡形式如图1所示，河岸边坡粘性土的物理参数如表1所示，对粘性土边坡建立数值模型如图2～图5，粘性土边坡为长10m，高10m，坡角45°的均质粘性土坡。本文假设水流冲蚀时间分别0d、1d、2d、3d，通过计算得到对应的边坡形式，河岸边坡冲蚀工况如表2所示，控制边坡土体的起动流速不变，控制水流流速不变，分析河岸边坡稳定性随时间的变化规律。

图2为粘性土河岸边坡冲蚀前的有限元模型，共划分结点8073个，单元7725个;图3为粘性土边坡冲蚀1天后的有限元模型，共划分结点7908个，单元7601个;图4为粘性土边坡冲蚀2天后的有限元模型，共划分结点7730个，单元7466个;图5为粘性土边坡冲蚀3天后的有限元模型，共划分结点7551个，单元7332个。

3.2 河岸边坡稳定性数值分析

边坡稳定性分析一直是岩土工程中的重要研究领域。目前对边坡稳定性分析的主要方法分为三大类，即强度折减法、极限平衡法以及有限元分析方法。本文将采用强度折减法分析不同冲蚀条件下河岸边坡稳定系数变化情况，如图2～图5所示，对河岸边坡进行建模分析;强度折减法是在外荷载保持不变的情况下，边坡内土体所能提供的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。目前判断边坡土体达到临界破坏的评价标准主要有三种：第一种以数值计算收敛与否作为评价标准，与有限元的算法有关;第二种以特征部位的位移拐点作为评价标准;第三种以是否形成连续的贯通区作为评价标准。

本文采用强度折减法，以特征部位的位移拐点作为评价标准，如图2～图5所示，通过A点的水平位移拐点作为评价标准，如图6所示，根据不同冲蚀条件对稳定系数的影响分析发现，在河岸边坡粘性土起动流速和水流流速不变的情况下，分别冲蚀河岸边坡0d、1d、2d、3d后，河岸边坡稳定系数分别为1.18、1.15、1.08、0.97。说明了在相同水流流速情况下，河岸边坡受到水流冲蚀后稳定性下降，随着冲蚀时间的推移，河岸土体冲蚀流失形成的迎水面越来越陡，导致稳定系数下降明显加快。粘性土河岸在洪水季节冲蚀严重，导致河岸边坡坡脚土颗粒大量流失，致使河岸边坡出现陡峭的临空面，导致河岸边坡内部应力场改变，从而稳定性明显下降，因此，在洪水季节加强河岸边坡的防护尤为重要。

4  主要结论

①本文对河岸边坡进行简化，通过ABAQUS建模分析，假设河岸边坡为均质粘性土体，在水流的冲蚀破坏作用下，河岸边坡迎水面土体随着冲蚀时间逐步流失，不同的时刻对应不同的河岸形态，河岸边坡的稳定性随着水流冲蚀而下降;随着冲蚀时间的推移，河岸土体冲蚀流失形成的迎水面越来越陡，导致稳定系数下降明显加快。

②本文通过水流冲蚀作用下河岸边坡稳定性研究能较好预测水流冲蚀作用下河岸边坡稳定性，将对洪水引起的地质灾害防护与监测起到现实的指导意义。

参考文献：

[1]宗全利，夏軍强，张翼，等.荆江段河岸粘性土体抗冲特性试验[J].水科学进展，2014，25（4）：567-574.

[2]邓合玉，陈勇.库水升降条件下滑坡变形失稳机理研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2018，40（06）：30-34.

[3]宗全利，夏军强，邓珊珊，等.荆江段二元结构河岸崩塌机理试验研究[J].应用基础与工程科学学报，2016（5）：955-969.

[4]夏军强，宗全利，许全喜，等.下荆江二元结构河岸土体特性及崩岸机理[J].水科学进展，2013，24（6）：810-820.

[5]洪大林，缪国斌，邓东升，等.黏性土起动研究现状综述[J].水利水电科技进展，2005，025（006）：102-106.

[6]洪大林.粘性原状土冲蚀特性研究[D].河海大学，2005.