基于離散元計算的堤防岸坡水力沖刷變形破壞特征研究

蔡崇杰,沈 優(yōu),董 宇,劉向宇,李曉坤

(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司,江蘇 淮安 223005)

0 引言

岸坡穩(wěn)定性受多種因素影響,如自身結(jié)構(gòu)特征、土體屬性等[1-2],同樣,也會受水力沖刷等侵蝕作用影響,改變岸坡幾何構(gòu)造,引起岸坡滑移失穩(wěn)破壞。黃志豪[3]、朱偉崇等[4]為探討岸坡安全加固設(shè)計,提出了生態(tài)改良岸坡土體的設(shè)計方案,并開展了相應(yīng)的不同生態(tài)土試驗研究,基于試驗結(jié)果,評價了生態(tài)改良設(shè)計方案的合理性;岸坡穩(wěn)定性研究不僅需要考慮土體的改良,何寧等[5]、宋欣玲等[6]認為岸坡在不同水位變化下,其土層滲流活動的差異性,會導(dǎo)致岸坡出現(xiàn)滲透破壞,故采用滲流仿真等方法進行了土層滲流特征參數(shù)計算分析,有助于岸坡的防滲加固設(shè)計參考;李青朋等[7]、馬新涌[8]為探討岸坡受水力沖刷作用影響下穩(wěn)定性變化,模擬了土體的顆粒離散性,并開展了岸坡的崩塌變形演化特征、擴展路徑等探討,豐富了岸坡水力侵蝕影響機理研究成果。本文為研究蘇北灌溉總渠堤防岸坡在水力沖刷作用下的影響變化,開展了過流量、河床底寬影響性分析,研究了岸坡位移、應(yīng)力及土體孔隙率影響特征,為岸坡整治加固設(shè)計提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 工程概況

為改善蘇北農(nóng)業(yè)灌區(qū)輸、調(diào)水現(xiàn)狀,對淮河流域內(nèi)各灌渠工程進行調(diào)查,為工程整治提供基礎(chǔ)。而蘇北灌溉總渠乃是項目調(diào)查的關(guān)鍵,該水利設(shè)施依托淮河支流建設(shè),承擔(dān)著淮河上、中游農(nóng)業(yè)灌渠用水及生態(tài)補水的任務(wù)。根據(jù)工程資料得知,蘇北灌溉總渠設(shè)計洪水位11.5～11.1 m,全線路兩岸分別采用堤防岸坡加固形式,全長161.4 km,沿線堤防岸坡線路途經(jīng)地表徑流量活躍,常年徑流量維持在35～60 m3/s。結(jié)合灌渠堤防監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,蘇北灌溉總渠依托淮河河道建設(shè),兩側(cè)堤防最高處12.3 m,采用岸坡分層壓實形式建設(shè),原設(shè)計方案中土層沉降不超過5 mm/y,監(jiān)測數(shù)據(jù)表明堤防岸坡內(nèi)滲透坡降超過允許值0.25,最大流速也可達1.7 m/s,部分坡腳處出現(xiàn)水土流失、侵蝕等現(xiàn)象。堤防岸坡受沖刷現(xiàn)狀無疑在告訴水利部門：無法承受較大洪峰過境,河道岸坡穩(wěn)定性欠佳,極易出現(xiàn)岸坡滑移破壞等地質(zhì)災(zāi)害。為此,水利部門考慮以蘇北灌溉總渠其中一段線路為堤防岸坡治理示范段,以期為其他堤防岸坡的治理提供參照,圖1即為岸坡治理示范段路線示意,始于高良澗閘,終于張馬洞,全線路總長為分為了三個標段,1#標段全長2.45 km,堤防岸坡土層主要為分散性粉質(zhì)粘土,中值粒徑2.6 mm;2#標段為硯臺船閘至花河泵站,長度14.7 km,該標段內(nèi)岸坡安全系數(shù)是最高,受益于該段內(nèi)多個水利控制樞紐,能夠限制岸坡受水力沖刷影響,且岸坡大多數(shù)表層混凝土均狀態(tài)較好,未出現(xiàn)滑移、脫落等現(xiàn)象;3#標段所途徑河道水力勢能充沛,位于灌渠上游,部分岸坡已出現(xiàn)游離顆粒層,且過流面流量較高,水土流失嚴重,岸坡崩塌危險系數(shù)較大。綜合蘇北灌溉總渠堤防岸坡治理現(xiàn)狀,要科學(xué)合理完成3個標段的岸坡工程治理,需要分析岸坡受水力沖刷、侵蝕影響的機理,從而針對性提出治理措施,為蘇北灌溉總渠其他堤段岸坡治理提供參照。

圖1 岸坡治理示范段

1.2 離散元建模設(shè)計

要分析堤防岸坡水力沖刷下穩(wěn)定性影響因素,需獲得河道水力沖刷強度特征,該參數(shù)是誘發(fā)岸坡出現(xiàn)土顆粒移動、滑移的外在條件。實質(zhì)上,河道洪水沖刷強度不僅包括一個參數(shù),而是一個系統(tǒng)性概念參數(shù),涵括了岸坡水流沖刷力、岸坡土層抗沖刷力、水力側(cè)向沖刷強度等。岸坡水流沖刷力作用方向為水流切向,受河道滲透坡降、水深及河床特征影響,其計算式可表述如下式[9-10]：

τ=1.3γwhJ

(1)

式中,τ為水流沖刷力,Pa;γw為水容度,N/m3;h為水深,m;J為坡降。

而河道糙率是岸坡沖刷離散元計算的重要參考因子,可通過水力半徑R、過流截面流量Q進行計算得出糙率系數(shù),如下式[11]：

(2)

式中,b為河床底寬,m;a為岸坡滑動面坡腳,rad。

(3)

式中,Q為過流量,m3/s;A為過水面積,m2;n為糙率系數(shù)。

岸坡在抵抗水力沖刷時,其各層土體也會抵抗切向水流沖刷力作用,即為土層抗沖刷力,與岸坡土層壓實性、土體顆粒級配等物理性質(zhì)有關(guān),其計算表達式如下：

(4)

式中,τ′為抵抗切向力,Pa;γs為土體容重,N/m3;D50為土體中值粒徑,m;kb為與侵蝕強度有關(guān)的系數(shù),N/m。

水力側(cè)向沖刷強度是反應(yīng)水土流失力學(xué)機理的參數(shù),其作用強度影響著岸坡土層流失量,可用單位時間內(nèi)岸坡土層流失重量為計算原理,如下式：

(5)

式中,G′為水力側(cè)向沖刷強度,kg/m2·s;W′為岸坡土層流失量,kg;A′為岸坡受沖蝕面積,m2;△t為時間,s。

除此之外,水力側(cè)向沖刷時,岸坡坡腳等幾何形態(tài)均會影響水力側(cè)向沖刷強度,圖2所示為岸坡側(cè)向沖刷幾何示意。在此基礎(chǔ)上,以岸坡水力側(cè)向沖刷寬度為岸坡側(cè)向侵蝕影響參數(shù),其計算式如下：

圖2 岸坡側(cè)向沖刷幾何示意

(6)

式中,B為水力側(cè)向沖刷寬度,m;τ、τa分別為水流切向力、岸坡土體切向屈服力,Pa;其他參數(shù)與前述一致。

在河道水力沖刷強度特征參數(shù)的理論分析基礎(chǔ)上,可對某一處岸坡受水力沖刷作用荷載進行計算,并迭代至離散元平臺中,視為外荷載條件。岸坡離散元計算的關(guān)鍵在于土體模型的準確描述,特別是土顆粒模型的宏、細觀參數(shù)表述,要與實際岸坡工程相一致。為此,基于PFC平臺建立起了土體雙軸模型,如圖3(a)所示,在多次迭代計算中,調(diào)整模型細觀參數(shù),保證宏觀結(jié)果與實際工程一致,計算迭代過程如圖3(b)所示。根據(jù)PFC驗證計算,所分析的岸坡工程土體模型尺寸為2.5 m×5 m,顆粒半徑為0.04 m,每個土體模型共有2 456個顆粒體,所確定的細觀參數(shù)包括了剛度比、摩擦系數(shù)、黏結(jié)強度等,其值分別為1.2 kPa、0.17 kPa、500 kPa。

(a)土體模型 (b)計算迭代過程

基于河道洪水沖刷強度理論分析與土體顆粒流模型的建立,可建立起岸坡離散元模型,如圖4(a),該模型原型為蘇北灌溉總渠3#標段3+215處岸坡,岸坡模型外洪水位為12.5 m,岸坡模型高、寬尺寸分別為8 m×18 m,以沖刷強度計算式為外荷載,頂、側(cè)壁均為剛性墻體邊界,按照顆粒自重平衡、初次強度賦值、二次顆粒賦值及實際模型生成的過程,劃分出岸坡模型網(wǎng)格單元,如圖4(b)。在岸坡沖刷計算中,影響因素包括了灌渠河道、堤防土體自身物理特性等,由于蘇北灌溉總渠堤防大多數(shù)岸坡土體基本類似,故本文研究影響因素主要為灌渠河道水力特性,包括了過流流量與河床特征。研究方案中過流流量分別設(shè)定為200 m3/s、300 m3/s、400 m3/s、500 m3/s、600 m3/s、700 m3/s,河床特征研究參數(shù)為河床底寬,按照沿線河道分布,分別設(shè)定為4.5 m、6 m、7.5 m、9 m、10.5 m、12 m,基于上述不同研究組開展岸坡沖刷下變形破壞計算。

(a)岸坡離散元模型 (b)岸坡網(wǎng)格模型

2 岸坡沖刷下變形破壞演化特征

2.1 過流量影響

基于不同過流量研究組下岸坡沖刷分析,從計算結(jié)果中提取獲得岸坡橫斷面上位移變化特征,如圖5。從圖5中可看出,不同過流量工況下,岸坡橫斷面上位移變化趨勢具有兩種類型：一種是從岸坡外側(cè)至坡腳斷面,位移呈“先慢后快”的增長變化,轉(zhuǎn)折點位于斷面7.5 m,該類型下位移變化具有轉(zhuǎn)折性,且能夠判斷出岸坡滑移面位于斷面7.5m后,此類型下過流量為500～800 m3/s;第二種位移變化類型具有三階段特征,從坡底至坡腳橫斷面上,位移呈“穩(wěn)定、緩慢遞增、突增”的變化特點,三階段變化轉(zhuǎn)折斷面分別為9 m、13.5 m,該類型下岸坡具有潛在滑移面,且坡內(nèi)大部分土層仍處于安全穩(wěn)定狀態(tài),此類型過流量為200～400 m3/s?；谏鲜鰞煞N不同類型的位移變化趨勢分析,認為過流量不同,會導(dǎo)致岸坡內(nèi)土層滑移面分布范圍有所差異,這即是過流量對岸坡沖刷影響的載體[12]。

圖5 過流量影響下岸坡位移變化特征

過流量越高,岸坡橫斷面上位移遞增,但遞增趨勢并不均衡、穩(wěn)定,而是呈逐步增長的態(tài)勢。以橫斷面12 m處為例,在過流量200 m3/s、300 m3/s下該斷面處位移分別為2.8 mm、3.2 mm,而過流量500 m3/s、800 m3/s較之過流量200 m3/s下分別增長了11.9倍、34.8倍,當(dāng)過流量每增長100 m3/s,該橫斷面處位移平均增長了16.2 mm,增幅達1.57倍,且增幅在過流量300～400 m3/s、500～600 m3/s下分別為0.9倍、12.2倍。由此分析可知,過流量對岸坡水力沖刷影響為逐步加大,控制過流量,可直接約束岸坡潛在滑移面發(fā)展。

圖6為過流量300 m3/s、600 m3/s下岸坡同一計算步長時滑移面位移分布特征。從圖6可知,在過流量300 m3/s下,橫斷面上位移分布具有多層次性,即較低過流量工況下,岸坡滑移面的貫通路徑為從坡腳逐步至坡內(nèi),且與坡腳的距離遠近,體現(xiàn)了岸坡滑移面的風(fēng)險性。當(dāng)過流量500 m3/s時,岸坡內(nèi)位移分布具有雙層性,表層坡面即將發(fā)生滑移,而在滑移面與坡內(nèi)土層接觸面處發(fā)育較多裂隙。從滑移面分布特征也可知,不同的過流量工況下,岸坡水力沖刷作用下崩塌、滑移傾向各有區(qū)別。

2.2 河床底寬影響

基于不同河床底寬下岸坡模型計算,同樣經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得了岸坡橫斷面上位移變化特征,如圖7。分析圖7可知,無論河床底寬參數(shù)為何值,橫斷面上岸坡位移變化趨勢均一致,即河床底寬參數(shù)不會改變岸坡內(nèi)滑移面分布狀態(tài)。從橫斷面0至18 m,岸坡位移均為先緩增后陡增的變化態(tài)勢,轉(zhuǎn)折點位于斷面9 m。當(dāng)河床底寬參數(shù)增大,岸坡橫斷面上位移均增長,且增幅較均衡、穩(wěn)定,以橫斷面15 m處為例,在河床底寬4.5 m時,岸坡位移為25.7 mm,隨河床底寬每增大1.5 m,其位移平均增長了10.95 mm,增幅為25.6%,而在河床底寬4.5～6 m、10.5～12 m上,相應(yīng)的岸坡位移分別增長了6.6 mm、13.2 mm,增幅為25.8%、26%。同樣,在其他橫斷面處亦是如此。分析表明,河床底寬對岸坡位移影響具有可控性,若需對岸坡進行防護加固設(shè)計,可參考同一河段岸坡水力沖刷影響。

圖7 河床底寬影響下岸坡位移變化特征

圖8為河床底寬7.5 m時,岸坡內(nèi)部裂紋發(fā)育分布特征。從圖8可知,在水力沖刷作用下,岸坡內(nèi)部潛在滑移面的產(chǎn)生根源來自于拉伸擴展裂紋,拉伸擴展裂紋在滑移面邊界上逐步延伸,直至貫通至坡頂,最后形成滑移面。分析表明,岸坡崩塌或滑移的本質(zhì)是土層拉伸裂紋的擴展,當(dāng)拉伸裂紋貫通,會把滑移面與原有岸坡土層割裂開,宏觀上形成岸坡崩塌或滑移失穩(wěn)[13],而在滑移塊體內(nèi),仍然是剪切裂紋。

3 岸坡變形破壞運動機理特征

為分析岸坡崩塌變形內(nèi)在機理,從PFC計算平臺中,提取獲得了不同研究方案下岸坡最大應(yīng)力、孔隙率分布特征,如圖9。由圖9(a)可看出,隨過流量變化,岸坡峰值應(yīng)力呈緩增、陡增的階段性變化特征,轉(zhuǎn)折點流量為400 m3/s,該變化趨勢在河床底寬4.5～12 m中均是如此。在河床底寬4.5 m工況中,過流量200～400 m3/s與500～800 m3/s下峰值應(yīng)力分別分布于3.24～6.54 kPa與11.5～31.4 kPa,隨過流量梯次變化,分別具有增幅46.6%。河床底寬6～9 m、9～12 m下,各過流量工況中岸坡峰值應(yīng)力增長較穩(wěn)定,如過流量400 m3/s在底寬6 ～9 m、9 m～12 m時,峰值應(yīng)力分別增長了31.4%、31.6%。分析表明,過流量對岸坡土層應(yīng)力影響在于500～800 m3/s,而河床底寬對峰值應(yīng)力影響弱于過流量,且影響作用也較穩(wěn)定。

(a)岸坡峰值應(yīng)力

(b)岸坡土層孔隙率

從孔隙率變化來看,隨河床底寬遞增,岸坡土層內(nèi)孔隙率線性增長,在過流量200 m3/s、800 m3/s下,孔隙率分布于0.15～0.164、0.52～0.573,隨河床底寬梯次變化,孔隙率的增幅分別為1.8%、1.78%。在不同的過流量工況中,隨河床底寬參數(shù)變化,孔隙率變化可預(yù)測;而隨過流量變化,岸坡孔隙率變化具有不可預(yù)測的增幅特點。如同為河床底寬7.5 m,過流量200～800 m3/s下,相應(yīng)的孔隙率分布于0.156～0.54,四個流量方案內(nèi),孔隙率漲幅分別為37.7%、52.4%、66.5%。由此可知,過流量會改變土層孔隙率,引起不均勻沉降,導(dǎo)致應(yīng)力集中,從而產(chǎn)生較大的應(yīng)力分布[14];而河床底寬對孔隙率的影響較弱,故對岸坡峰值應(yīng)力的影響作用較小。

4 結(jié)論

本文主要獲得以下三點結(jié)論：

(1)過流量為500～800 m3/s、200～400 m3/s下,岸坡橫斷面上位移變化特征截然不同,位移變化影響著潛在滑移面分布;過流量越高,岸坡位移遞增,且增幅逐步增大;過流量不同,岸坡位移分布的層次性各有差異,影響著滑移面分布與發(fā)展方向。

(2)河床底寬遞增,岸坡橫斷面上位移變化均保持一致,為“緩增、陡增”變化特征;岸坡位移值與河床底寬參數(shù)保持較均衡穩(wěn)定的正相關(guān)變化;岸坡滑移面上為拉伸裂紋擴展,而滑移塊體內(nèi)為剪切裂紋。

(3)過流量超過400 m3/s后,岸坡應(yīng)力會陡增,而不同河床底寬方案中,岸坡應(yīng)力增長較穩(wěn)定;過流量對孔隙率的影響作用高于河床底寬參數(shù),各過流量下,隨河床底寬梯次變化,孔隙率的增幅均穩(wěn)定在1.8%。