胡慶 王浩 郭劍波 呂芝瑩 付德偉

關(guān)鍵詞：灘岸；交互分層；OptumG2；含水率；穩(wěn)定性；黃河下游灘岸

2019年9月，習(xí)近平總書記將黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略，并且提出實施河道和灘區(qū)綜合提升治理工程。黃河下游河南、山東段灘區(qū)居民近190萬人，生產(chǎn)生活基本依托于黃河灘區(qū)。然而黃河下游灘岸的連續(xù)崩塌壓縮了灘區(qū)人民的生存空間，加大了汛期黃河懸岸大堤的破壞風(fēng)險，因此有必要分析黃河下游灘岸結(jié)構(gòu)特征、土體組成并研究土體力學(xué)特性對灘岸穩(wěn)定性的影響。

灘岸的侵蝕與灘岸土體力學(xué)特性有相當(dāng)大的關(guān)系，灘岸土體力學(xué)特性之一是抗剪強(qiáng)度，Xia等認(rèn)為抗剪強(qiáng)度大小能夠反映灘岸邊坡的穩(wěn)定性：Thorne提出邊坡土體的抗剪強(qiáng)度是影響河岸穩(wěn)定性的重要因素：盛維高等分析了含水量變化對高邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)采用土體非飽和強(qiáng)度得到的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)更接近邊坡實際情況：黃琨等研究了含水率對粉砂土強(qiáng)度的影響：劉順青等分析了坡高、泊松比、含水率等因素對高液限土邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)含水率對邊坡穩(wěn)定性影響最大：劉昭希研究了含水率變化對長江荊江段河岸黏土抗剪強(qiáng)度的影響：趙壽剛等對黃河下游灘岸黏土的抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系進(jìn)行了分析。

前期的研究主要分析了含水率對灘岸土體力學(xué)特性的影響，但是缺少土體抗剪強(qiáng)度變化對黃河下游典型交互分層結(jié)構(gòu)岸坡穩(wěn)定性的分析。黃河下游灘岸結(jié)構(gòu)具有典型分層性，其坍塌后退嚴(yán)重危及兩岸堤防工程安全和灘區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展。因此，本文在室內(nèi)試驗基礎(chǔ)上，分析了含水率變化對灘岸土體強(qiáng)度的影響，并研究了土體強(qiáng)度變化對灘岸組合邊坡穩(wěn)定性的影響。

1研究河段概況

黃河自發(fā)源地至渤海呈現(xiàn)出西高東低的三級階梯，萬灘鎮(zhèn)至柳園口段就屬于第三級階梯。由于該段河道寬闊平坦，黃河流經(jīng)后，從上游挾帶的大量泥沙在河床內(nèi)沉降淤積，河床逐漸抬升使得黃河下游形成了舉世聞名的地上懸河。

下游河段按照河床的演變特點，可分為游蕩段、過渡段和彎曲段，萬灘鎮(zhèn)至柳園口段屬于典型的游蕩段?；▓@口到東壩頭段河岸土質(zhì)疏松，橫向邊界約束較弱，兩岸灘地之間的河寬由1960年的2563m展寬到1964年的3633m，增大了41.75%。趙業(yè)安等發(fā)現(xiàn)1960-1964年黃河下游共產(chǎn)生了23.02億t泥沙，其中近35.0%的細(xì)泥沙來自下游灘地。

水流不斷侵蝕灘岸會造成主槽擺動，對河流的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，危及堤防工程的安全。1953-1987年黃河下游發(fā)生了957次險情，1949-1971年河南省境內(nèi)的灘區(qū)耕地侵蝕量高達(dá)4.3萬hm2，落河村莊123個。王永久等利用Landsat衛(wèi)星影像對1987-2020年黃河花園口至柳園口段河流幾何形態(tài)變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：花園口至柳園口段每年河道變化幅度和上一年相比高達(dá)75%．近20a來花園口至柳園口段河流的頻繁擺動，導(dǎo)致32.08km2的越冬作物被毀，并且認(rèn)為沒有護(hù)灘工程凹岸附近的農(nóng)田將會在未來遭受河流的強(qiáng)烈侵蝕。

2灘岸現(xiàn)場查勘及取樣

萬灘鎮(zhèn)至柳園口段河道展寬現(xiàn)象非常明顯，為了更清楚地了解萬灘鎮(zhèn)至柳園口段河岸土體結(jié)構(gòu)，對沿岸土體特征進(jìn)行了查勘并取樣。根據(jù)近期萬灘鎮(zhèn)至柳園口段灘岸侵蝕情況，分別在萬灘鎮(zhèn)、黑崗口和柳園口選取一個取樣點，并結(jié)合現(xiàn)場查勘情況將取樣點選取在現(xiàn)有河岸斷面崩塌比較明顯的河岸上。受地區(qū)構(gòu)造的內(nèi)營力和黃河水流侵蝕的外營力共同作用，萬灘鎮(zhèn)至柳園口段黃河河床呈現(xiàn)出南低北高的形態(tài)，在水流作用下，該段黃河北岸產(chǎn)生明顯的堆積、南岸河流則以側(cè)蝕和下切為主，因此本次取樣點均布置在南岸。

鑒于現(xiàn)場河岸崩塌的實際情況，取樣點都選在水邊崩塌比較明顯的地方。由于現(xiàn)場崩塌河岸呈現(xiàn)出垂向分層結(jié)構(gòu)，因此在取土樣時采用分層取樣的辦法。其中：原狀土樣先在表面包裹一層塑料薄膜，然后放進(jìn)塑料箱內(nèi)；散狀土放人密封性良好的塑料袋中，并根據(jù)現(xiàn)場崩塌河岸實際情況測量出取樣土體高度。

3室內(nèi)土工試驗及灘岸土體分析

3.1室內(nèi)土工試驗

對采集的土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，包括含水率、密度、比重、三軸試驗等。采集的土樣按顏色分為棕色、黃色兩種，通過液塑限試驗進(jìn)一步確定土的種類。灘岸土體的試驗結(jié)果見表1，其中土的抗剪強(qiáng)度通過三軸壓縮試驗測得。由表1看出，萬灘鎮(zhèn)深25、73cm、黑崗口深30、55cm與柳園口深125cm處棕色土樣的塑性指數(shù)均大于17，根據(jù)土的分類標(biāo)準(zhǔn)可以判定棕色土體為黏土。

黃色土體初步判斷為砂土，還需要通過密度計法對土體顆粒情況進(jìn)行分析，取萬灘鎮(zhèn)深67、115cm，黑崗口深36cm和柳園口深91、137cm處土樣進(jìn)行試驗得到的顆粒級配曲線如圖1所示。

從圖1看出，這5個土樣粒徑大于0.075mm的顆粒含量均不超過全重50%，粒徑小于0.005mm的顆粒含量均不超過全重10%，且由液塑限試驗得到的塑性指數(shù)也都小于10，根據(jù)土的分類標(biāo)準(zhǔn)判定該土為粉砂土。

3.2灘岸土體分析

由室內(nèi)土工試驗結(jié)果可知，從萬灘鎮(zhèn)至柳園口采取的土樣按照試驗標(biāo)準(zhǔn)分為黏土、粉砂土兩類，發(fā)現(xiàn)該段灘岸由黏土和粉砂土交互分層構(gòu)成，邊坡呈現(xiàn)出垂直分層是不同河段沖淤環(huán)境具有一定的差異且黃河在不同時期來水來沙條件不同造成的。李潔等對黃河下游游蕩段灘岸的崩退進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)崩退后的岸坡幾乎為垂直狀態(tài)。

對萬灘鎮(zhèn)至柳園口段不同含水率的原狀土試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制的含水率與灘岸土體黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2（a）、圖2（b）可知萬灘鎮(zhèn)至柳園口段黏土的黏聚力存在一個臨界含水率（約為18%），當(dāng)含水率小于18%時，黏聚力隨著含水率的提高而迅速增大：當(dāng)含水率超過18%時，黏聚力隨著含水率的提高而減小，而內(nèi)摩擦角則隨著含水率的提高逐漸減小。含水率從18%增大到40%，其黏聚力降低約80%、內(nèi)摩擦角降低約87%，由此可見含水率對黏土土體強(qiáng)度有很大的影響。劉昭希對荊江河岸的黏土進(jìn)行試驗分析，發(fā)現(xiàn)黏土與含水率存在類似的關(guān)系。從圖2（c）、圖2（d）可以看出粉砂土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也存在相似變化規(guī)律。

根據(jù)含水率與土體力學(xué)性能的關(guān)系曲線擬合出相應(yīng)的定量關(guān)系式。

4對比分析

4.1軟件介紹

極限分析有限元法結(jié)合了極限分析和有限元的優(yōu)點并克服了兩者的缺點，使得最近開發(fā)的有限元極限分析軟件Optum G2被廣泛地運(yùn)用到巖土工程各個領(lǐng)域中。Optum G2采用嚴(yán)格的上限和下限計算方法，并且利用求得的上、下限解估計精確解和誤差范圍，關(guān)于Optum G2的原理和應(yīng)用Sloan在他的文章中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文使用Optum G2進(jìn)行模擬，隨著迭代次數(shù)的增加，單元數(shù)量由5000增加到10000，在高塑性剪切應(yīng)變的區(qū)域單元數(shù)量會自動疊加。

4.2對比分析

為了驗證Optum G2在邊坡穩(wěn)定性分析方面的準(zhǔn)確性，本文選取與采用極限分析法計算的案例結(jié)果作對比。 Viratjandr用極限分析計算了水庫在4種不同條件下的邊坡穩(wěn)定性，為了避免反復(fù)的迭代過程，其利用F/tan作為c／（y//tancp）（H為邊坡高度）的函數(shù)繪制水庫在4種不同條件下的邊坡穩(wěn)定性圖表。本文選取Li =H、L2=0.2H條件下的邊坡（見圖3）用Optum G2進(jìn)行分析，同時設(shè)置了c／（ylltan cP）分別等于0、0.20、0.40、0.60和0.80五種工況，最終計算出各種工況下的F/tan值（見表2）。

從表2中可以看出利用Optum G2在L2=0.2H條件下計算的結(jié)果與用極限分析計算的結(jié)果相比表現(xiàn)出良好的一致性，極限分析計算的結(jié)果均處于用OptumG2計算的上、下限值之間；還可以發(fā)現(xiàn)Viratjandr計算的結(jié)果與上限相比相差不超過1%，與下限相比相差最大為6.816%，因此完全可以采用Optum G2上限解分析邊坡穩(wěn)定性問題。

5數(shù)值分析

5.1建立邊坡模型

經(jīng)過實地查勘可以發(fā)現(xiàn)萬灘鎮(zhèn)至柳園口段的灘岸具有明顯垂直分層結(jié)構(gòu)，分層土體為黏土和粉砂土，分層厚最大值、最小值分別為22、2.5cm，同日寸發(fā)現(xiàn)下部被水浸泡灘岸和上部灘岸土體含水率有明顯差別。按照灘岸的土體結(jié)構(gòu)利用Optum G2建立的多層土灘岸崩塌概化模型如圖4所示（灘岸模型為直角，H2為地表水深度，Hi為地下水深度），其中模型顏色較深的土體表示含水率較高、紅色水平線為灘岸截面（用來分析截面處灘岸的剪力變化，每隔1m取1個截面，一共取5個），在研究過程中只考慮含水率和兩種土體互換位置后的影響，不考慮灘岸高度、水流的沖刷等其他因素對灘岸穩(wěn)定性的影響，灘岸高度H、水位高度始終分別等于5、3m（假設(shè)H2 =Hi）。

表3為模擬過程中用到的灘岸土體在7種含水率下的物理力學(xué)參數(shù)，其中根據(jù)式（1）～式（4）計算得到，平均干重度和重度由平均干密度和密度經(jīng)過換算得到。干密度p，是試驗求得對應(yīng)土體的干密度均值，知道干密度后由下式反推出來對應(yīng)含水率的密度值。

5.2土體含水率對灘岸穩(wěn)定性的影響分析

圖4為模擬含水率對灘岸穩(wěn)定性影響的模型，在水位線以下的灘岸含水率比較高，水位線以上的土體含水率則比較低（10%），為了避免其他因素的影響，將模型的地表水深和地下水深設(shè)為定值（H2=H1=3m），模擬結(jié)果如圖5所示。

從圖5中能夠發(fā)現(xiàn)：受黏土和粉砂土臨界含水率的影響，岸坡在含水率較低時穩(wěn)定系數(shù)隨著含水率的提升會有所增大，但是穩(wěn)定系數(shù)整體上趨于減小，并且灘岸的穩(wěn)定系數(shù)變化與黏土黏聚力變化具有很好的一致性，原因是黏土力學(xué)性質(zhì)受含水率影響產(chǎn)生的變化大于粉砂土的；黏土和粉砂土交換位置后，灘岸的穩(wěn)定系數(shù)變化很小。

含水率分別等于15%、35%時灘岸的失效機(jī)制如圖6所示。從圖6（a）、圖6（b）可以看出岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)時的剪切耗散圖為弧形并且岸坡土體有向下傾斜運(yùn)動的趨勢[當(dāng)含水率等于35%時從圖5能夠發(fā)現(xiàn)岸坡處于破壞的臨界狀態(tài)（穩(wěn)定系數(shù)等于1.04）]；從圖6（c）、圖6（d）中可以看出此時岸坡的破壞分為兩步，下部被浸泡土體因強(qiáng)度較低而先產(chǎn)生滑移，然后上部土體在重力作用下崩塌。

從圖7看出，含水率為15%時，位于弧形區(qū)域內(nèi)的截面剪力均為正值（見圖7中位于弧形區(qū)域內(nèi)），且最大正剪力位于破壞面附近。為了進(jìn)一步研究剪力隨含水率的變化，繪制了不同含水率下3m深處截面最大正剪力隨著含水率變化曲線（見圖8）。從圖8能夠發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率從10%增大到30%時，隨灘岸的自重增大、截面剪力也在緩慢增大；當(dāng)含水率大于30%時截面剪力迅速增大，原因是此時灘岸破壞形式發(fā)生變化，岸坡下部被浸泡土體因強(qiáng)度較低而先產(chǎn)生滑移，然后上部土體在重力作用下崩塌。

6結(jié)論

本文在對萬灘鎮(zhèn)至柳園口段灘岸查勘、取樣以及室內(nèi)土工試驗的基礎(chǔ)上研究了灘岸結(jié)構(gòu)特征、土體組成、含水率變化對土體強(qiáng)度的影響，并利用有限元分析軟件Optum G2定量分析了由含水率引起的灘岸土體強(qiáng)度的變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下：

1）歷史上多期次的洪水作用使得河水中挾帶的粉砂土與黏土交替沉積在河灘上，成為灘區(qū)人民賴以生存的土地資源。

2）灘岸交互分層邊坡穩(wěn)定性降低，且岸坡穩(wěn)定系數(shù)隨著含水率提高整體上趨于減小，這種變化與黏土黏聚力隨著含水率的變化具有很好的一致性。

3）當(dāng)含水率增大到一定程度日寸岸坡的破壞分為兩步，下部被浸泡土體因強(qiáng)度較低而先產(chǎn)生滑移，上部土體在重力作用下崩塌：隨著含水率的提高破壞區(qū)域的最大剪力先緩慢增大，然后急劇增大。