基于离散元计算的堤防岸坡水力冲刷变形破坏特征研究

蔡崇杰,沈 优,董 宇,刘向宇,李晓坤

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司,江苏 淮安 223005)

0 引言

岸坡稳定性受多种因素影响,如自身结构特征、土体属性等[1-2],同样,也会受水力冲刷等侵蚀作用影响,改变岸坡几何构造,引起岸坡滑移失稳破坏。黄志豪[3]、朱伟崇等[4]为探讨岸坡安全加固设计,提出了生态改良岸坡土体的设计方案,并开展了相应的不同生态土试验研究,基于试验结果,评价了生态改良设计方案的合理性;岸坡稳定性研究不仅需要考虑土体的改良,何宁等[5]、宋欣玲等[6]认为岸坡在不同水位变化下,其土层渗流活动的差异性,会导致岸坡出现渗透破坏,故采用渗流仿真等方法进行了土层渗流特征参数计算分析,有助于岸坡的防渗加固设计参考;李青朋等[7]、马新涌[8]为探讨岸坡受水力冲刷作用影响下稳定性变化,模拟了土体的颗粒离散性,并开展了岸坡的崩塌变形演化特征、扩展路径等探讨,丰富了岸坡水力侵蚀影响机理研究成果。本文为研究苏北灌溉总渠堤防岸坡在水力冲刷作用下的影响变化,开展了过流量、河床底宽影响性分析,研究了岸坡位移、应力及土体孔隙率影响特征,为岸坡整治加固设计提供依据。

1 研究方法

1.1 工程概况

为改善苏北农业灌区输、调水现状,对淮河流域内各灌渠工程进行调查,为工程整治提供基础。而苏北灌溉总渠乃是项目调查的关键,该水利设施依托淮河支流建设,承担着淮河上、中游农业灌渠用水及生态补水的任务。根据工程资料得知,苏北灌溉总渠设计洪水位11.5～11.1 m,全线路两岸分别采用堤防岸坡加固形式,全长161.4 km,沿线堤防岸坡线路途经地表径流量活跃,常年径流量维持在35～60 m3/s。结合灌渠堤防监测数据可知,苏北灌溉总渠依托淮河河道建设,两侧堤防最高处12.3 m,采用岸坡分层压实形式建设,原设计方案中土层沉降不超过5 mm/y,监测数据表明堤防岸坡内渗透坡降超过允许值0.25,最大流速也可达1.7 m/s,部分坡脚处出现水土流失、侵蚀等现象。堤防岸坡受冲刷现状无疑在告诉水利部门：无法承受较大洪峰过境,河道岸坡稳定性欠佳,极易出现岸坡滑移破坏等地质灾害。为此,水利部门考虑以苏北灌溉总渠其中一段线路为堤防岸坡治理示范段,以期为其他堤防岸坡的治理提供参照,图1即为岸坡治理示范段路线示意,始于高良涧闸,终于张马洞,全线路总长为分为了三个标段,1#标段全长2.45 km,堤防岸坡土层主要为分散性粉质粘土,中值粒径2.6 mm;2#标段为砚台船闸至花河泵站,长度14.7 km,该标段内岸坡安全系数是最高,受益于该段内多个水利控制枢纽,能够限制岸坡受水力冲刷影响,且岸坡大多数表层混凝土均状态较好,未出现滑移、脱落等现象;3#标段所途径河道水力势能充沛,位于灌渠上游,部分岸坡已出现游离颗粒层,且过流面流量较高,水土流失严重,岸坡崩塌危险系数较大。综合苏北灌溉总渠堤防岸坡治理现状,要科学合理完成3个标段的岸坡工程治理,需要分析岸坡受水力冲刷、侵蚀影响的机理,从而针对性提出治理措施,为苏北灌溉总渠其他堤段岸坡治理提供参照。

图1 岸坡治理示范段

1.2 离散元建模设计

要分析堤防岸坡水力冲刷下稳定性影响因素,需获得河道水力冲刷强度特征,该参数是诱发岸坡出现土颗粒移动、滑移的外在条件。实质上,河道洪水冲刷强度不仅包括一个参数,而是一个系统性概念参数,涵括了岸坡水流冲刷力、岸坡土层抗冲刷力、水力侧向冲刷强度等。岸坡水流冲刷力作用方向为水流切向,受河道渗透坡降、水深及河床特征影响,其计算式可表述如下式[9-10]：

τ=1.3γwhJ

(1)

式中,τ为水流冲刷力,Pa;γw为水容度,N/m3;h为水深,m;J为坡降。

而河道糙率是岸坡冲刷离散元计算的重要参考因子,可通过水力半径R、过流截面流量Q进行计算得出糙率系数,如下式[11]：

(2)

式中,b为河床底宽,m;a为岸坡滑动面坡脚,rad。

(3)

式中,Q为过流量,m3/s;A为过水面积,m2;n为糙率系数。

岸坡在抵抗水力冲刷时,其各层土体也会抵抗切向水流冲刷力作用,即为土层抗冲刷力,与岸坡土层压实性、土体颗粒级配等物理性质有关,其计算表达式如下：

(4)

式中,τ′为抵抗切向力,Pa;γs为土体容重,N/m3;D50为土体中值粒径,m;kb为与侵蚀强度有关的系数,N/m。

水力侧向冲刷强度是反应水土流失力学机理的参数,其作用强度影响着岸坡土层流失量,可用单位时间内岸坡土层流失重量为计算原理,如下式：

(5)

式中,G′为水力侧向冲刷强度,kg/m2·s;W′为岸坡土层流失量,kg;A′为岸坡受冲蚀面积,m2;△t为时间,s。

除此之外,水力侧向冲刷时,岸坡坡脚等几何形态均会影响水力侧向冲刷强度,图2所示为岸坡侧向冲刷几何示意。在此基础上,以岸坡水力侧向冲刷宽度为岸坡侧向侵蚀影响参数,其计算式如下：

图2 岸坡侧向冲刷几何示意

(6)

式中,B为水力侧向冲刷宽度,m;τ、τa分别为水流切向力、岸坡土体切向屈服力,Pa;其他参数与前述一致。

在河道水力冲刷强度特征参数的理论分析基础上,可对某一处岸坡受水力冲刷作用荷载进行计算,并迭代至离散元平台中,视为外荷载条件。岸坡离散元计算的关键在于土体模型的准确描述,特别是土颗粒模型的宏、细观参数表述,要与实际岸坡工程相一致。为此,基于PFC平台建立起了土体双轴模型,如图3(a)所示,在多次迭代计算中,调整模型细观参数,保证宏观结果与实际工程一致,计算迭代过程如图3(b)所示。根据PFC验证计算,所分析的岸坡工程土体模型尺寸为2.5 m×5 m,颗粒半径为0.04 m,每个土体模型共有2 456个颗粒体,所确定的细观参数包括了刚度比、摩擦系数、黏结强度等,其值分别为1.2 kPa、0.17 kPa、500 kPa。

(a)土体模型 (b)计算迭代过程

基于河道洪水冲刷强度理论分析与土体颗粒流模型的建立,可建立起岸坡离散元模型,如图4(a),该模型原型为苏北灌溉总渠3#标段3+215处岸坡,岸坡模型外洪水位为12.5 m,岸坡模型高、宽尺寸分别为8 m×18 m,以冲刷强度计算式为外荷载,顶、侧壁均为刚性墙体边界,按照颗粒自重平衡、初次强度赋值、二次颗粒赋值及实际模型生成的过程,划分出岸坡模型网格单元,如图4(b)。在岸坡冲刷计算中,影响因素包括了灌渠河道、堤防土体自身物理特性等,由于苏北灌溉总渠堤防大多数岸坡土体基本类似,故本文研究影响因素主要为灌渠河道水力特性,包括了过流流量与河床特征。研究方案中过流流量分别设定为200 m3/s、300 m3/s、400 m3/s、500 m3/s、600 m3/s、700 m3/s,河床特征研究参数为河床底宽,按照沿线河道分布,分别设定为4.5 m、6 m、7.5 m、9 m、10.5 m、12 m,基于上述不同研究组开展岸坡冲刷下变形破坏计算。

(a)岸坡离散元模型 (b)岸坡网格模型

2 岸坡冲刷下变形破坏演化特征

2.1 过流量影响

基于不同过流量研究组下岸坡冲刷分析,从计算结果中提取获得岸坡横断面上位移变化特征,如图5。从图5中可看出,不同过流量工况下,岸坡横断面上位移变化趋势具有两种类型：一种是从岸坡外侧至坡脚断面,位移呈“先慢后快”的增长变化,转折点位于断面7.5 m,该类型下位移变化具有转折性,且能够判断出岸坡滑移面位于断面7.5m后,此类型下过流量为500～800 m3/s;第二种位移变化类型具有三阶段特征,从坡底至坡脚横断面上,位移呈“稳定、缓慢递增、突增”的变化特点,三阶段变化转折断面分别为9 m、13.5 m,该类型下岸坡具有潜在滑移面,且坡内大部分土层仍处于安全稳定状态,此类型过流量为200～400 m3/s。基于上述两种不同类型的位移变化趋势分析,认为过流量不同,会导致岸坡内土层滑移面分布范围有所差异,这即是过流量对岸坡冲刷影响的载体[12]。

图5 过流量影响下岸坡位移变化特征

过流量越高,岸坡横断面上位移递增,但递增趋势并不均衡、稳定,而是呈逐步增长的态势。以横断面12 m处为例,在过流量200 m3/s、300 m3/s下该断面处位移分别为2.8 mm、3.2 mm,而过流量500 m3/s、800 m3/s较之过流量200 m3/s下分别增长了11.9倍、34.8倍,当过流量每增长100 m3/s,该横断面处位移平均增长了16.2 mm,增幅达1.57倍,且增幅在过流量300～400 m3/s、500～600 m3/s下分别为0.9倍、12.2倍。由此分析可知,过流量对岸坡水力冲刷影响为逐步加大,控制过流量,可直接约束岸坡潜在滑移面发展。

图6为过流量300 m3/s、600 m3/s下岸坡同一计算步长时滑移面位移分布特征。从图6可知,在过流量300 m3/s下,横断面上位移分布具有多层次性,即较低过流量工况下,岸坡滑移面的贯通路径为从坡脚逐步至坡内,且与坡脚的距离远近,体现了岸坡滑移面的风险性。当过流量500 m3/s时,岸坡内位移分布具有双层性,表层坡面即将发生滑移,而在滑移面与坡内土层接触面处发育较多裂隙。从滑移面分布特征也可知,不同的过流量工况下,岸坡水力冲刷作用下崩塌、滑移倾向各有区别。

2.2 河床底宽影响

基于不同河床底宽下岸坡模型计算,同样经数据处理获得了岸坡横断面上位移变化特征,如图7。分析图7可知,无论河床底宽参数为何值,横断面上岸坡位移变化趋势均一致,即河床底宽参数不会改变岸坡内滑移面分布状态。从横断面0至18 m,岸坡位移均为先缓增后陡增的变化态势,转折点位于断面9 m。当河床底宽参数增大,岸坡横断面上位移均增长,且增幅较均衡、稳定,以横断面15 m处为例,在河床底宽4.5 m时,岸坡位移为25.7 mm,随河床底宽每增大1.5 m,其位移平均增长了10.95 mm,增幅为25.6%,而在河床底宽4.5～6 m、10.5～12 m上,相应的岸坡位移分别增长了6.6 mm、13.2 mm,增幅为25.8%、26%。同样,在其他横断面处亦是如此。分析表明,河床底宽对岸坡位移影响具有可控性,若需对岸坡进行防护加固设计,可参考同一河段岸坡水力冲刷影响。

图7 河床底宽影响下岸坡位移变化特征

图8为河床底宽7.5 m时,岸坡内部裂纹发育分布特征。从图8可知,在水力冲刷作用下,岸坡内部潜在滑移面的产生根源来自于拉伸扩展裂纹,拉伸扩展裂纹在滑移面边界上逐步延伸,直至贯通至坡顶,最后形成滑移面。分析表明,岸坡崩塌或滑移的本质是土层拉伸裂纹的扩展,当拉伸裂纹贯通,会把滑移面与原有岸坡土层割裂开,宏观上形成岸坡崩塌或滑移失稳[13],而在滑移块体内,仍然是剪切裂纹。

3 岸坡变形破坏运动机理特征

为分析岸坡崩塌变形内在机理,从PFC计算平台中,提取获得了不同研究方案下岸坡最大应力、孔隙率分布特征,如图9。由图9(a)可看出,随过流量变化,岸坡峰值应力呈缓增、陡增的阶段性变化特征,转折点流量为400 m3/s,该变化趋势在河床底宽4.5～12 m中均是如此。在河床底宽4.5 m工况中,过流量200～400 m3/s与500～800 m3/s下峰值应力分别分布于3.24～6.54 kPa与11.5～31.4 kPa,随过流量梯次变化,分别具有增幅46.6%。河床底宽6～9 m、9～12 m下,各过流量工况中岸坡峰值应力增长较稳定,如过流量400 m3/s在底宽6 ～9 m、9 m～12 m时,峰值应力分别增长了31.4%、31.6%。分析表明,过流量对岸坡土层应力影响在于500～800 m3/s,而河床底宽对峰值应力影响弱于过流量,且影响作用也较稳定。

(a)岸坡峰值应力

(b)岸坡土层孔隙率

从孔隙率变化来看,随河床底宽递增,岸坡土层内孔隙率线性增长,在过流量200 m3/s、800 m3/s下,孔隙率分布于0.15～0.164、0.52～0.573,随河床底宽梯次变化,孔隙率的增幅分别为1.8%、1.78%。在不同的过流量工况中,随河床底宽参数变化,孔隙率变化可预测;而随过流量变化,岸坡孔隙率变化具有不可预测的增幅特点。如同为河床底宽7.5 m,过流量200～800 m3/s下,相应的孔隙率分布于0.156～0.54,四个流量方案内,孔隙率涨幅分别为37.7%、52.4%、66.5%。由此可知,过流量会改变土层孔隙率,引起不均匀沉降,导致应力集中,从而产生较大的应力分布[14];而河床底宽对孔隙率的影响较弱,故对岸坡峰值应力的影响作用较小。

4 结论

本文主要获得以下三点结论：

(1)过流量为500～800 m3/s、200～400 m3/s下,岸坡横断面上位移变化特征截然不同,位移变化影响着潜在滑移面分布;过流量越高,岸坡位移递增,且增幅逐步增大;过流量不同,岸坡位移分布的层次性各有差异,影响着滑移面分布与发展方向。

(2)河床底宽递增,岸坡横断面上位移变化均保持一致,为“缓增、陡增”变化特征;岸坡位移值与河床底宽参数保持较均衡稳定的正相关变化;岸坡滑移面上为拉伸裂纹扩展,而滑移块体内为剪切裂纹。

(3)过流量超过400 m3/s后,岸坡应力会陡增,而不同河床底宽方案中,岸坡应力增长较稳定;过流量对孔隙率的影响作用高于河床底宽参数,各过流量下,随河床底宽梯次变化,孔隙率的增幅均稳定在1.8%。