基于Midas GTS/NX的新疆沙漠输水明渠风积土岸坡稳定性分析

2024-03-22朱佳宁王建新冯成明

科学技术与工程 2024年5期

朱佳宁, 王建新,2*, 冯成明

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院, 乌鲁木齐 830052;2.新疆农业大学新疆水利工程与水旱灾害防治实验室, 乌鲁木齐 830052)

渠道岸坡相较于常见的边坡,既有共同特点,也有其自身特点。其自身特点在于它的状态与渠道内水位的位置有较大关联。国内外已建的输水工程因岸坡失稳而导致灾害的常有发生:巴西圣保罗班加拉河流域岸坡在短期强降雨和长期累积降雨天气下共发生65处滑坡失稳[1];四川省东风渠人工渠道[2]在强降雨天气下,岸坡浅层土壤因抗剪强度降低,进而引起滑坡。河南省陆浑灌区干渠[3]、溪洛渡库区金沙江右岸[4]和三峡木鱼包[5]也曾因水位骤变导致了岸坡滑坡,给人民生命、财产安全带来严重损害。因此对输水明渠进行岸坡稳定分析时,不仅需研究降雨对其产生的影响,而且需研究渠道水位状态对其产生的影响。

目前,国内外众多学者针对渠道岸坡稳定性已开展大量的研究。沈丹萍等[6]基于Geo-Studio软件分析膨胀土渠道在不同降雨强度和降雨时长下的边坡安全系数和位移的变化规律,并运用灰色关联度对边坡的影响因素进行敏感性分析;朱锐等[7]运用SEEP/W得出北疆输水渠道膨胀土岸坡在各类工况下的暂态渗流场,并以此将暂态孔隙水压力用于渠道岸坡的极限平衡分析中(SLOPE/W 模块),进而得出在各类工况下的渠道岸坡安全系数;Alonso等[8]采用控制变量法研究了在不同降雨强度和降雨历时条件下对岸坡稳定性的影响;Guo等[9]研究了渠道在水位升降作用下岸坡的安全系数变化规律;汪斌等[10]、李清华等[11]采用流固耦合的数值分析方法,对水位升降作用下岸坡渗流场及应力场进行仿真模拟,并得出水位骤降和降雨是影响岸坡安全性的主要原因;文献[12-13]研究了各类土体渠道在降雨、水位变化时期下的岸坡安全系数、变形特征和失稳机理的变化规律,但以上研究分析主要集中在膨胀土、盐渍土、黄土和壤土等渠道岸坡稳定性的方面;王海林[14]、李红娜[15]已对风积土渠道有所研究,但主要集中在风积土的压实工艺和施工参数的选取,关于沙漠风积土渠道的岸坡研究和应用仍不成熟。鉴于风积土粒径细小、天然含水率低、结构疏松、保水性差、无黏性等特殊的工程特点[16-17],因而对已建的新疆长距离输水明渠风积土岸坡稳定性演变机理尚有深入研究探讨的空间。

现以新疆沙漠输水明渠风积土岸坡为实例,选取具有代表性的试验段风积土岸坡作为研究对象,采用Midas GTS/NX软件中的有限元强度折减法(strength reduction method,SRM)对渠道在未加固和加固两种工况下的竣工期、降雨期、输水期和水位骤降4个时期的风积土岸坡进行稳定性计算,以期在一定程度上为新疆沙漠风积土输水渠道工程建设提供参考。

1 有限元强度折减法原理

Midas GTS/NX的岸坡稳定性分析主要采用了基于有限元法的强度折减法(SRM)[18-19]。

所谓有限元强度折减法,其求解过程与传统极限平衡法原理本质上是一致的,在进行数值计算过程中,具体是采用逐步折减抗剪强度指标,即原有材料黏聚力c、内摩擦角φ分别考虑折减系数F,从而得到一组新的强度指标cF和φF,替换原来的抗剪强度指标c和φ,重复运算直至岸坡达到临界破坏状态,此时的强度折减系数F即为该岸坡的安全系数FS,如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

τfF=cF+σtanφF

(3)

式中:cF为强度折减后土体虚拟的黏聚力,kPa;φF为强度折减后土体虚拟的内摩擦角,(°);τfF为折减后的抗剪强度,kPa。

2 边坡二维数值实例分析

2.1 工程实例

新疆古尔班通古特沙漠输水明渠,由于料源的匮乏,均由当地土体填筑,全长为166.5 km,属于大型长距离输水工程[图1(a)]。根据现场勘探,得出该地岩土体为风积土,颜色为淡黄色,具有弱湿陷性,颗粒组成以细砂(0.075～0.25 mm)和中砂(0.25～0.50 mm)为主,含量分别占43.1%～57.8%和22.4%～30.3%,平均粒径0.24 mm,几乎无黏性。颗粒圆度不一,为次圆状～棱角状。矿物成分以石英颗粒为主,可视为单一成分的特殊性土[图1(b)]。

图1 新疆沙漠风积土渠道实例

鉴于沙漠风积土输水渠道剖面为对称结构,因而选取渠道剖面的一半进行数值模拟,并假定渠道岸坡的风积土为均匀质、各向同性和连续接触的弹塑性材料。同时由于渠道建于沙垄、沙丘地带,地势起伏不平,一般高差在10～20 m,因此选取具有代表性的横断面如图2所示。该渠道岸坡长19.85 m,高9.24 m,坡度为1∶2.5。风积土输水明渠位于沙漠地区,地下水位埋深达40～150 m,建模时暂不考虑地下水位对其岸坡产生的影响。为查明沙漠风积土渠道岸坡是否安全,需对渠道在竣工期、降雨期、输水期、水位骤降4个时期的风积土岸坡进行稳定性分析。

图2 渠道岸坡图示

2.2 风积土的物理力学指标

根据开展室内土工试验和查阅渠道现场地质勘察报告[20-21],综合分析得出风积土的物理力学指标(表1)。

表1 风积土的物理力学指标

2.3 岸坡二维模型的建立和网格划分

Mohr-Coulomb屈服准则是岩土工程中最简单、应用最为普遍的屈服准则。因此在Midas GTS/NX软件中进行沙漠明渠有限元模拟计算中岸坡风积土采用Mohr-Coulomb本构模型;同时为了提高网格与网格之间的耦合性,即在易滑带附近尺寸按四周0.5 m→岸坡0.2 m进行加密过渡,并采用四边形网格单元。渠道岸坡共划分为1 642个节点,1 559个单元,根据表1的风积土数据,对模型施加对应的材料参数,各时期边界条件详见表2。

表2 各时期岸坡边界条件

2.4 研究方案

(1)竣工期:对比在自然状态下未加固与加固两个工况下,风积土明渠岸坡的安全系数、整体位移和等效塑性应变区。

(2)降雨期:对比在西北沙漠地区强降雨天气,即降雨强度为2.30×10-3mm/s,降雨时长6 h,总降雨量共50 mm时,未加固和加固两个工况下风积土明渠岸坡的安全系数、整体位移和等效塑性应变区。

(3)输水期:对比渠道位于初始水位时,未加固与加固两个工况下风积土明渠岸坡的安全系数、整体位移和等效塑性应变区。

(4)水位骤降:对比水位在5 d内从初始水位骤降到渠底后,未加固与加固两个工况下风积土明渠岸坡的安全系数、整体位移和等效塑性应变区。

(5)鉴于在降雨和输水过程中,风积土岸坡含水率不断变化,岸坡材质c和φ不断变化。基于强度折减法(SRM)对风积土明渠岸坡进行稳定性分析,以获得岸坡安全系数和整体位移。

3 岸坡稳定性

3.1 未加固时的岸坡数值模拟计算结果

在有限元分析时,对风积土岸坡采用Mohr-Coulomb 弹塑性模型[22-23],并采取强度折减法进行稳定性计算。

《建筑边坡工程计算规范》(GB 50330—2013)[24]将渠道岸坡稳定性归纳为稳定、基本稳定、欠稳定和不稳定4种状态,寒旱区长距离输水明渠风积土岸坡稳定性岸坡稳定安全系数FS划分如表3所示。

表3 渠道岸坡稳定性状态划分

根据Midas GTS/NX软件已计算得出未加固工况下竣工期、降雨期、输水期、水位骤降4个时期渠道岸坡整体位移和安全系数FS,其具体计算数值详见表4。

表4 未加固岸坡分析结果

由表4得出,在未加固时,风积土岸坡在竣工期由于坡体自重,造成整体位移约2.51 cm,安全系数为1.98;在强降雨工况下,由于雨水渗透岸坡土体内部,使风积土吸水饱和,容重增加,抗剪强度降低[25-26],使得岸坡整体位移增加至3.98 cm,安全系数下降至1.93,相较于竣工期安全系数降低了约2.6%;在输水期,由于岸坡前缘水压力增加,致使岸坡的安全系数上升至2.13,但相较于竣工期,由于坡体前缘水压力增加,岸坡产生指向岸坡内部的水平方向的变形,渠底产生竖直向下的变形[27],使得岸坡整体位移增加至3.38 cm;渠道水位骤降时期,由于岸坡前缘水压力骤减,渠道发生卸荷回弹,渠底产生竖直向上的变形,同时岸坡产生指向坡外的水平方向的变形[28],此时岸坡整体位移约5.50 cm,安全系数为1.70,相较于输水期安全系数下降了约20.18%。竣工期、降雨期和输水期的最危险滑弧面大致沿岸坡分布;水位骤降的最危险圆弧有向渠底发展的趋势,详见图3。

图3 未加固工况下各时期岸坡整体位移图

图4为未加固工况下4个时期风积土岸坡等效塑性应变区,竣工期、降雨期和输水期时风积土岸坡等效塑性应变图形大体相同,沿岸坡分布;水位骤降时期风积土岸坡的等效塑性贯通区较其他3个时期有沿向渠底发展的趋势,因此可大致确定边坡潜在滑动面呈圆弧分布且已贯通。

图4 未加固工况下各时期岸坡等效塑性应变图

经上述有限元强度折减法数值分析,在未加固工况下竣工期、降雨期、输水期、水位骤降4个时期岸坡均处于较稳定状态。鉴于渠道实际运行过程风积土受水荷载作用下,产生压缩、湿陷变形,其岸坡表层存在约20 cm厚松散砂基处于欠密室状态,常产生渗透流土破坏[29]。为进一步保证输水渠道风积土岸坡的安全性,方便管理,经研究决定对风积沙岸坡采取加固措施,以期为结构提供稳定基础,从而提高渠道的耐久性。

3.2 加固后的岸坡二维数值计算结果分析

为了保证新疆沙漠输水明渠风积土岸坡的稳定和减少渠水渗漏损失,则要求渠道堤防加固材料达到一定的强度和防渗性能。垫层材料是渠道防渗结构层稳定的基础。渠道设计前期,对风积土岸坡及渠底采取砂砾石基层、土工格室、化学固化剂、沙袋和土工膜袋等多种垫层形式进行对比试验[30],综合考虑结构稳定性、环境友好性、施工难易性和经济合理性等多因素,最终选择40 cm 厚的砂砾石作为垫层材料,并在其基础上铺设砂浆找平层、土工膜及C20预制混凝土衬砌板等措施来进行加固处理[图1(c)、图1(d)],典型加固横断面布置图详见图5,具体材质物理力学指标详见表5。

表5 材料的物理力学指标

渠道岸坡加固工况与未加固工况所赋予的边界条件相一致,根据Midas GTS/NX软件中有限元强度折减法(SRM),研究渠道加固工况下竣工期、降雨期、输水期、水位骤降4个时期的岸坡整体位移、等效塑性区和安全系数的变化,其加固工况下具体计算数值见表6。

表6 加固岸坡分析结果

由表6可知,加固工况下竣工期由于岸坡及渠底衬砌结构的约束,整体位移量缩小至约1.33 cm,安全系数增加至3.16,相较于未加固工况下竣工期整体位移缩小了47.0%,安全系数增加约37.3%;降雨期由于岸坡和渠底已铺设衬砌层结构,雨水大量从渠顶渗入,使渠顶表层土体吸水饱和,土体容重增大,抗剪强度降低,岸坡安全系数下降至3.13,相较于加固工况下竣工期安全系数缩小了0.9%;输水期时,由于风积土岸坡前缘水压力增加,岸坡产生指向岸坡内部的水平方向的变形,渠底产生竖直向下的变形,但由于衬砌结构的约束,变形较小,坡体整体位移仅为1.21 cm,此时岸坡安全系数达到3.37,使得岸坡更加稳定;水位骤降时期,由于坡体前缘水压力骤减,渠道土体及衬砌产生卸荷回弹,此时岸坡整体位移增加至3.28 cm,安全系数为3.09,相较于加固工况下输水期安全系数下降了8.3%,整体位移量增加了约63%。加固工况下竣工期、降雨期和输水期的岸坡最危险滑弧面大致沿岸坡分布;水位骤降时期的岸坡最危险圆弧有向渠底发展的趋势,详见图6。

图6 加固工况下各时期岸坡整体位移图

经加固后的风积土岸坡由于防渗衬砌结构层的约束,等效塑性应变区由原先圆弧状变成大体沿衬砌层呈直线分布,原有圆弧状塑性应变区已不明显,使滑移带位移变形得到了较好的限制,避免其发生过大变形,使岸坡达到极限平衡失稳状态,有效保证了岸坡的整体稳定性,较大程度降低了发生滑坡灾害的可能,加固工况下岸坡等效塑性区详见图7。

图7 加固工况下各时期岸坡等效塑性应变图

3.3 未加固与加固岸坡数值模拟结果对比

由图8和图9分析可知,未加固与加固两个工况下,输水期由于风积土岸坡前缘水压力增加,坡体前缘水压陡增,有效提高渠道岸坡的安全系数;对风积土渠道岸坡产生较大位移的分别为降雨期和水位骤降两个时期。经过对渠道岸坡及渠底铺设防渗衬砌结构层后,相较于未加固时降雨期和水位骤降两个时期,风积土岸坡总体位移量分别减少了56.4%和40.4%,对渠道整体位移产生了有效约束。由图8对比可知,未加固时,岸坡处于较为稳定的状态,但影响风积土岸坡稳定性因素较多,经综合考虑对风积土岸坡加固以后,岸坡的安全系数远大于1.30,可保障新疆风积土输水明渠长期稳定运行。