水位变化条件下堤防加固效果有限元分析

池佃东

(韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司,广东 韶关 512000)

0 前 言

在季节性降雨影响下,土石类边坡出现失稳现象十分普遍。诸多学者对边坡出现失稳定现象的原因及失稳发展过程进行了深入研究。段祥宝[1-2]等学者通过砂槽模型试验,模拟不同渗透系数和土体强度的材料在水位下降过程中的非稳定渗流场变化过程,认为水位下降过快是诱发边坡失稳的重要原因。詹美礼[3]通过建立堤坝饱和-非饱和渗流测试系统,分析土体基质吸力的变化,研究边坡失稳机理的发展过程。王建林[4]采用数值模拟方法,模拟河道处受水流侧蚀影响下的堤防稳定安全,认为应该增强河道堤防的抗冲刷能力,避免堤防在高速水流侧蚀失去支撑从而滑向河岸[5]。郑昊[6]通过模拟库水位上升对土石心墙坝的影响,认为水位变化速率是影响土质坝的重要影响因素。祝静[7]和结合洪水期实测水位资料,探索了不同水位变化速率下岸坡稳定的变化规律。岳红艳[8]采用物理模型试验的方式,分析了水位变化和水流冲刷作用岸坡稳定的影响。张挺[9]等对山区河流土堤的渗流特性进行分析探讨,王伟[10]等通过分析库区内土体的水动力滑坡作用机制,确定库水位频繁变动是导致滑坡的重要危险因子。

山区丘陵区域河道,水位变化受季节性强降雨影响显著。在强降雨过程中,初期雨水入渗,河道两侧堤防表面土体强度减小,对边坡稳定安全有不利影响。随着持续强降雨,山区丘陵河道坡降较大,各个支流水流逐渐汇集流向地势较低的区域,导致不同区域河道水位快速变化,影响河道两侧堤防的边坡稳定安全性[12]。不同堤段堤防间存在差异,边坡稳定安全受堤防结构形式、堤身填筑质量及土体材料性质、水流侵蚀深度和除险加固措施等因素影响,因此,分析河道水位变化过程中堤防边坡稳定安全变化规律具有重要工程意义[13]。

本文通过分析水位变化下堤防除险加固前后堤防渗流场变化规律,定量分析不同堤段堤防修固前后的安全情况,验证所采用加固措施的有效性[11]。

1 工程概况

党水河河道治理工程位于陕西省汉中市洋县境内北部,党水河属汉江一级支流,由北向南流经党河水库下游进入盆地,在洋县城西汇入汉江。发育有三级基座阶地,阶地堆积物具二元结构,上部为壤土、黄土状壤土,下部为卵石层。工程区内降雨量丰富,地表水系众多,河道平均比降24.2‰,河道区域物理地质作用微弱,表现为小规模的崩塌、滑坡等。党水河河道两侧堤防防洪标准为10年一遇,工程级别为5级。

本次党水河河道治理工程大致可分为马坪村段、李家店村段和铁河街村段。马坪村段未进行河道整治前,河道两侧为天然岸坎防护,受季节性洪水威胁严重。进行河道堤防整治后,采用格宾石笼和浆砌石护坡对堤防迎水面进行加固处理,提高了堤防安全稳定性。未进行河道整治前,李家店村段采用半天然岸坎防护结合浆砌石挡墙防洪,局部区域堤防渗透性较差,洪水期堤后存在微小渗水点;进行河道整治后,均采用浆砌石挡墙进行防护,堤身土体松散进行夯实加固,提高堤防渗流及稳定安全性。铁河街村段未进行河道整治前,局部浆砌石护岸受水流侧蚀严重,出现了堤脚损毁、局部裂缝和垮塌现象,堤脚处存在不同深度的冲刷坑,存在较大边坡稳定安全风险。进行修正后采用仰斜式防洪挡墙和混凝土护脚进行加固,保护堤后住户及耕地安全。

2 计算模型及方法

2.1 计算简化模型

党水河堤防工程具有堤线长、堤身断面结构及除险加固处理措施不同等特点,为了更加直观体现局部堤段存在安全问题,根据党水河河道区域内马坪村段、李家店村段和铁河街村段的河道两侧堤防特点,结合历史险情统计情况,筛选出险情多发、安全情况较差的堤防典型断面,通过判断最危险堤段的安全情况,进而来推测整体党水河堤防工程的整体安全性。

本次在党水河堤防工程中马坪村段等3个区域中各帅选出最危险的典型断面,依次编号为①、②和③。通过对进行出险加固前后3个典型断面进行边坡稳定有限元计算,同时考虑强降雨影响下河道水位快速变化对堤防边坡安全的影响,分析堤防除险加固前后的渗流和稳定安全。计算采用Geo studio 有限元计算软件,采用摩根斯坦-普拉斯法计算边坡稳定安全系数。

典型断面①位于马坪村段,加固后迎水坡比约为1∶1.5,上部护岸采用格宾石笼进行加固,下部采用浆砌石护坡进行防护,且与坡脚处设置混凝土护脚防水流冲刷。典型断面②位于李家店村段,采用浆砌石挡墙进行加高加固,加固后迎水堤身坡比约为1∶2.5,坡脚处设置混凝土护脚。典型断面③位于铁河街村段采用浆砌石挡墙,护坡坡比1∶0.25,对已形成一定水流侧蚀深度的堤基进行开挖整平,并设置混凝土护脚。堤高约为3.0～4.0 m,堤顶宽度约为4.0～4.5 m,枯水位为1.0 m,设计洪水位为2.4～2.7 m。堤后多为耕地和住户,为了分析水位变化对堤防稳定及渗流安全的影响性,根据典型断面①、②和③建立二维有限元计算模型,见图1。

图1 典型堤防①、②和③整治前后有限元模型

2.2 计算参数

党水河道堤基主要成分为大理岩、结晶灰岩、砂岩等,堤身填筑料多为就地取材,根据现有地勘室内试验资料,拟定稳定和渗流计算材料参数表,见表1,堤防土体和堤基材料均按非饱和渗流特性考虑,其堤身土体非饱和渗流特性函数见图2。

表1 堤防材料渗透系数及物理特性

图2 堤身土体渗流特性函数

2.3 计算工况

根据相关历史水文资料,拟定不同堤段在强降雨影响下的计算工况,具体计算工况见表2。各个堤段以不同的水位变化速率由枯水位上升至设计洪水位,随后以同样水位变化速率由设计洪水位降至枯水位;各个堤段受水位变化影响;各个阶段计算历时均取为48 h。

表2 计算工况

3 河道整治工程前后边坡稳定安全分析

3.1 整治前后河道堤防渗流安全分析

对典型断面在水位变化过程进行渗流计算,分析3个典型断面整治前后在水位变化影响下的渗流场变化规律。图3和图4为3个典型断面在水位变化过程渗流量和渗透坡降变化图。

图3 水位上升阶段渗流量和渗透坡降变化

图4 水位下降阶段渗流量和渗透坡降变化

3个堤防典型断面中,堤身及堤基材料的材料性质基本一致,但典型断面②的堤身材料性质防渗性较差。对典型堤段进行渗流有限元计算,对比分析整治前后典型堤段在水位变化过程中的渗流场变化规律。由图3和图4可知,在水位变化过程中,渗透坡降和渗流量变化规律表现为随水位升高而增大,随水位降低而减小,最后都趋于稳定。堤防未整治前,在水位变化过程中,典型断面①、②和③的最大渗流量分别为1.06×10-1、1.30×10-1L/(m·s)和0.74×10-1L/(m·s),最大渗透坡降分别增至0.073、0.051和0.063,接近于土体允许坡降0.10。堤防整治后,典型堤段①、②和③的最大渗流量分别减小至1.07×10-1、0.65×10-1L/(m·s)和0.81×10-1L/(m·s);最大渗透坡降分别减小至0.057、0.40和0.061。

对比分析图3及图4中堤防整治前后渗流场计算结果可知,未整治前3个堤段渗流量和渗透坡降变化规律基本一致。典型断面②由于堤身材料渗透性较差,随着水位上升渗流量增长速率较快,渗流量比其余堤段大;渗透坡降极值均出现在天然岸堤背水侧低高程处,由于堤段②防渗性较差,渗水量相对较多,堤前堤后水头差较小,从而导致渗透坡降整体较低,受水位变化影响较小。整治后,3个典型堤段的渗流量和渗透坡降变化规律与整治前一致,由于各个典型断面新建堤防均修筑了浆砌石护坡或挡墙,在一定程度上提高了堤迎水面的防渗性,使得新建堤防的渗流量及渗透坡降极值显著减小。综上所述,各个典型堤段采取不同的整治措施后,堤防渗流安全性均有所提高。

3.2 整治前后河道堤防边坡稳定安全分析

分别对3个典型断面在水位变化过程进行堤防边坡稳定计算,分析堤防3个典型断面在整治前后在水位变化影响下的堤坡稳定安全系数变化规律。图5和图6为3个典典型断面在水位上升、下降过程堤坡稳定安全系数变化变化图。

图6 水位下降阶段不同堤段稳定安全系数

由图4～7可知,在水位变化过程中,各个典型堤段的临水坡安全系数变化规律大体相同。水位上升时,堤坡稳定安全系数呈现出先增大、后减小,最后趋于稳定的变化规律;水位下降时,堤坡稳定安全系数呈现出先减小、后增大,最后趋于稳定的变化规律。

堤防未整治前,典型断面①、②和③在枯水位下堤坡稳定安全系数分别为1.62、1.26和1.23;当水位上升至设计洪水位后,典型断面①、②和③的稳定安全系数分别增大至2.23、2.15和1.88。在水位下降过程中,典型堤段①、②和③的边坡稳定安全系数分别为1.08、1.22和1.05。堤防整治后,典型断面①、②和③的在枯水位下堤坡稳定安全系数分别为2.36、2.19和2.02;当水位上升至设计洪水位后,典型断面①、②和③的稳定安全系数分别增大至3.01、3.20和2.96;在水位下降过程中,典型断面①、②和③的最小稳定安全系数分别为2.32、2.30和1.90。水位下降过程对于堤防迎水面是水压力卸载的过程,导致迎水面抗滑力减小,边坡稳定安全系数减小。此外,由于堤内水位下降速率慢于堤前下降速率,堤内孔隙水压力未完全消散,堤防土体内会产生由内向外的渗透力,导致迎水面安全系数减小。

将图5和图6中水位变化过程3个典型断面的临水坡安全系数变化规律对比分析发现,未整治前,典型断面③的边坡稳定安全系数最小,主要是由于典型堤段③受水流侧蚀严重,堤脚处已经存在一定深度的冲刷坑,故在枯水位下边坡稳定安全系数仅为1.23。在河道受持续强降雨影响下,山区河道存在一定坡降,河道内水流会汇集于低高程区域,河道水位存在快速下降现象,堤内土体的浸润线下降速率较河道水位下降速率慢,临水侧处受水堤内指向堤外的渗流压力影响明显。很容易产生边坡失稳现象,典型堤段③堤脚存在冲刷坑,若是水位下降速率过快,存在较大的边坡失稳风险。进行整治后,各个典型断面在堤脚处均设置了混凝土护脚,并进行了砂石料回填加固,大大提高了新建堤防的迎水面稳定安全。综上所述,各个典型断面采取不同的堤脚加固措施后,堤坡稳定安全性显著提高。

4 结 论

本文以党水河河道治理工程为研究对象,根据山区丘陵区域特点,考虑山区河道水位变化、堤身材料和水流侵蚀对河道两侧堤防安全的影响,分析整治前后堤防的渗流和稳定安全。通过对党水河道两侧堤防进行渗流和边坡稳定有限元计算,明确了原老旧岸堤存在的风险,研究新建堤防在水位变化影响下边坡稳定安全系数的变化规律,得出了以下结论:

(1) 党水河道两侧原状堤防由于填筑质量和多年运行等原因,在水位变化影响下,局部堤段存在边坡失稳的风险。修整加固后,堤防整体防渗性也有所改善,新建堤防在边坡稳定安全性提高。

(2) 现状堤防采用格宾石笼及浆砌石挡墙进行加固,对堤脚处冲刷坑采用了设置混凝土固脚,显著提高了堤防边坡稳定安全性,现有加固措施行之有效。