水流冲刷作用对岸坡渗流影响的有限元分析

2021-11-24张庆海武立华周利军

黑龙江工业学院学报(综合版) 2021年9期

张庆海，武立华，周利军，赵健

(1.绥化学院农业与水利工程学院，黑龙江绥化 152000；2.黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150022)

岸坡与一般边坡有所不同，一方面坡体受到河水浸泡，使坡体内部地下水位随着河水的涨落而不断发生变化，从而其内部渗流场也会随之发生变化；另一方面，坡体还不断承受水流、波浪的冲击和冲刷，其形态也在不断的发生着变化，坡体在水流动力作用下坡脚会不断地垂直下切，同时坡面横向展宽。对于天然的土质河岸，水流冲刷使坡体下部的土体被水流挟走而越来越少，下部出现临空带，岸坡变陡、岸高增加，从而导致岸坡坍塌，坍塌后的土体在岸坡前淤积，水流又开始新的冲刷，淤积物被水流冲走，又开始新的崩塌和冲刷[1-3]。岸坡冲刷破坏时需要考虑因素有很多，并且岸坡发生冲刷破坏时的剖面也千差万别[4]。国内外对于水流冲刷力、岸坡抗冲力、冲刷模型以及岸坡在冲刷作用下稳定性的研究均取得一定的进展，但是仍然还有很多的问题存在。现有的冲刷模型及冲刷作用下岸坡稳定性的分析仍有很多局限性，并不能真切实际地反映岸坡在冲刷作用下的真实变形及破坏形式，因此，如何将水流的冲刷与岸坡的稳定性彻底的结合到一起进行分析，以及综合的考虑水流冲刷力、渗透力与岸坡的自重应力的耦合应力场的分析，将是今后渗流作用下岸坡稳定性分析的重点。

1 水流冲刷岸坡坡段概况

本文分析坡段为松浦大桥附近阿勒锦岛，位于哈尔滨松花江江心，标高为116.74m，南北与哈尔滨市区相望，哈佳铁路桥与公路桥跨越岛屿的东部，西部隔宾洲铁路桥与哈尔滨著名旅游景点太阳岛相望[5]。阿勒锦岛岸坡坡体的地质资料参考周边建筑勘察报告，通过对周边建筑勘察报告的分析，借鉴其地层勘测资料，可将岸坡土体划分为可塑粉土夹细砂层、细砂夹很薄的粉质粘土层和含粗砾河床中砂层。各土层的物理力学性质指标见表1。

表1 物理力学性质指标

2 有限元模型的参数与工况设定

2.1 有限元模型参数设定

本文采用Abaqus有限元数值分析软件来建立水位升降变化下的岸坡准三维有限元模型，河床的宽度取15m，高取15m，沿着水流方向岸坡的长度取25m[6]。模型中采用Gravity Load载荷类型来定义岸坡的重力荷载，当选用此方式定义重力时，Abaqus/Standard是基于总孔压来进行渗流分析的，需要定义初始孔隙压力。在inp文件中进行设定：*Initial Conditions, Type =Pore Pressure；将枯水位时的应力位移状态作为后续分析的初始状态，保存为.txt格式。后续分析中通过在Inp中定义语句来调用初始应力状态。

*Initial Conditions, Type=Stress, Input=xxx.txt。通过采用Soils分析中的稳态或瞬态分析来实现模型上升后稳定水位或者水位升降变化的稳态或瞬态渗流分析。模型网格的划分采用六面体方式，如图1所示，在渗流的分析中需要单元具备孔压自由度，所以单元类型定义为C3D8P八节点六面体单元，三向线性孔隙压力。划分比例为1.5，共7565个单元。在模拟分析过程中底面固定约束，并约束岸坡和河床侧面相应的水平位移。

图1 岸坡有限元计算网格划分型

2.2 有限元模型工况设定

根据历年松花江水位的变化情况，选定了两种工况进行计算：①工况1，水位112m时；②工况2，水位115m时。分别对应于图2里的水位1、水位2。计算中各级水位所采用的流量为：672.8m3/s(水位1)，1303.7m3/s(水位2)；水的密度为1000kg/m3。工况分析步骤如下：

图2 计算剖面简图

(1) 对无水流情况下的河床及坡体进行自重应力作用下的初始地应力分析，将自重应力场作为本次分析的初始应力场；

(2) 水位为2m时的渗流应力耦合分析(工况1)：

step1：将(1)的计算结果作为初始应力场，进行地应力平衡；

step2：枯水位下的渗流应力耦合分析。

(3) 水位上涨至5m后的渗流应力计算(工况2)：

step1：将(2)的计算结果作为初始应力场，进行地应力平衡；

step2：水位上涨至5m后的渗流应力分析。

3 计算结果与分析

3.1 河床及岸坡的自重应力场分析

无水流作用下岸坡的自重应力场分析结果如图3所示。自重应力场作用下的岸坡变形场、自重作用下的岸坡位移场如图4所示。从图4(a)可以看出，岸坡的最大负(以图示x轴指向为正)水平位移出现在岸坡与河床的中下部。从图4(b)可以看出，自重应力作用下岸坡的沉降在坡顶出现最大的沉降，沉降深度约为5.681cm。

图3 自重应力场(单位KPa)

(a)自重应力作用下的水平位移

(b)自重作用下的沉降分布图图4 自重作用下的位移场(单位：m)

3.2 不同水位下水流冲刷作用对岸坡渗流的影响

图5、图6分别反映了两种工况下岸坡的渗流流速的分布情况。从以上不同工况下的渗流流速等值线分布图可以看出：

(1) 无论在不同水位条件下还是是否考虑水流的冲刷作用下，岸坡的最大渗透流速均位于坡脚；说明无论在什么情况下，坡脚处都是受渗流的影响最大以及最易出现渗透破坏的位置；

(2) 随着水位的升高，坡脚及坡体内的渗透流速逐渐减小，这与随着水位升高坡内外的水位高差逐渐减小有关，与达西定律等描述的相符，即水头梯度越大，渗透流速越大，发生渗透破坏的可能性越大；

(3) 对比图5与图6的(a)(b)两图可以发现，考虑冲刷作用时与不考虑冲刷作用时的渗流流速分布基本一致，但是在考虑冲刷作用时，渗透流速略有增大，说明水流的冲刷作用增大了坡脚发生渗透破坏的可能性。如图，不考虑冲刷作用时，坡脚的最大渗流流速为8.038×10-5m/s，而考虑冲刷作用时为8.576×10-5m/s。

(a)不考虑冲刷作用时

(b)考虑冲刷作用时图5 渗流流速等值线分布图(工况1，单位：m/s)

(a)不考虑冲刷作用时

(b)考虑冲刷作用时图6 渗流流速等值线分布图(工况2，单位：m/s)

3.3 不同水位下水流冲刷作用对岸坡位移场的影响

图7、图8反映工况1下岸坡在水流冲刷作用下位移场的分布情况。

(a)水平位移

(b)竖向位移图7 不考虑冲刷作用下的位移云图(工况1，单位：m)

(a)水平位移

(b)竖向位移图8 考虑冲刷作用下的位移云图(工况1，单位：m)

图9、图10分别反映工况2下岸坡在水流冲刷作用下位移场的分布情况。

(a)水平位移

(b)竖向位移图9 不考虑冲刷作用下的位移云图(工况2，单位：m)

(a)水平位移

(b)竖向位移图10 考虑冲刷作用下的位移云图(工况2，单位：m)

从以上位移云图分析可得：

(1) 图7(a)与图9(a)对比可得，随着水位的逐渐升高，岸坡的最大负向水平位移逐渐的向坡脚处移动，负向水平位移对岸坡的整体稳定不利，负向水平位移的增大，很有可能会使坡脚处发生局部滑动破坏，从而导致岸坡的整体失稳，说明随着水位的不断升高，坡脚处是受影响最大及最容易发生滑动破坏的位置。

(2) 从以上四图的(a)图对比可得，在不同水位下，水流的冲刷力均提高了岸坡的负向水平位移，说明水流的冲刷力增大，增加了岸坡失稳、发生滑动破坏的可能性。

(3) 对比图7(b)和9(b)，可以发现，随着水位的升高，岸坡整体的竖向沉降增大，并且发生最大沉降的位置均位于坡顶处。

(4) 对比上述四图的(b)图发现，水流的冲刷作用增大了岸坡的整体竖向沉降。

为了能够更明确的反映水流的冲刷作用对在不同水位时的岸坡渗流场及位移场的影响，现追踪坡脚处一点A的渗流及位移变化，如图10(b)中所示，将点A处在不同水位下的渗流及位移分析结果总价归纳如表2所示。

表2 追踪点A计算分析结果

通过对表2中A点的计算分析结果可以看出来，在不同水位下，水流的冲刷作用均使A点处的渗流流速增大了；在水位2m与5m时，冲刷作用使得A点的渗流流速增加幅度分别为：6.69%和16.95%，可见，随着水位的升高，水流的冲刷作用对坡脚处的影响作用在不断的提高。从表2中还可以看出，水流的冲刷作用对A点的水平和竖向位移均有一定的作用，为了能够更加清晰的反映出水流冲刷对岸坡位移场作用的规律，现将A点的计算结果以图形的形式表示出来，如图11所示。从图11可以看出，随着水位的上升，坡脚处A点的负方向水平位移逐渐的增大，岸坡的稳定性逐渐的降低，并且随着水位的升高，水流冲刷作用对坡脚处A点水平位移的影响越来越大，坡脚处点A的水平位移增加的幅度也越来越大，水位2m时，冲刷作用下水平位移增加幅度为19.41%，当水位为5m时，增加幅度为33.51%。