苏本乐，赵允林

(潘集淮河河道管理局，安徽 淮南 232082)

0 引 言

水位波动是影响河道岸堤边坡稳定性最常见的影响因素之一。通常，受极端天气、潮汐、灌溉水道调节和水电站蓄水等影响，河水水位会出现大幅度变化，而导致边坡垮塌和河岸受侵蚀。当漂浮物到达水电站时，会对建筑产生不利的荷载和增加溢洪道堵塞的风险。因此，研究河道岸堤边坡稳定性对大坝的安全运行十分必要。

目前，国内外通常采用数值模拟的方法来分析边坡的稳定性，其常用的数值理论包括有限元法[1]、有限差分法[2]、离散元法[3]等。叶雨柯等[4]基于昌波水电站工程，选取地下厂房区含垂向结构面边坡的典型剖面，建立二维等效连续介质有限元模型，利用饱和-非饱和渗流分析理论研究不同降雨强度下含垂向结构面边坡的饱和区扩散范围及水压力分布变化；涂小兵等[5]借助GeoStudio中SLOPE/W模块和SEEP/W模块进行边坡渗流场和应力场的耦合分析, 模拟在施工期、运行期各种水位组合及降雨、地震工况下渗流作用对堤防稳定性的影响；郭钊等[6]运用ABAQUS软件进行降雨条件下三维边坡应力场和渗流场的耦合分析, 研究了边坡土体渗流场变化规律并对边坡稳定性进行评价；肖景红等[7]针对含优势渗流层边坡降雨入渗下的可靠度问题, 通过将应力分析中的点估计-有限元法引入到边坡渗流稳定性分析, 提出了考虑优势渗流层渗透特性不确定性的渗流概率分析和边坡可靠度分析方法；戚海棠等[8]基于滑坡地下水渗透力分布与应力-应变分析相结合的数值分析方法,考虑到砂土与黏土土质及各向异性程度kr及α的影响,利用Geostudio中SIGMA/W与SLOPE/W模块对三峡库区蔡坡堆积体库水位下降的渗流、变形及稳定性进行了数值分析。

本文以某河道工程为例，通过ABAQUS建立二维河道边坡模型，采用有限元强度折减法，分析不同河水水位下边坡的滑动面变化和安全系数演化，提出相应的边坡加固措施，以期为相关工程提供参考。

1 有限元强度折减法

强度折减法最早由Zienkiewicz教授提出，其含义是在外部条件不变的情况下，边坡内部的最大抗剪强度与真实产生的剪切应力之间的比值。在现实工程中，当边坡发生破坏时，上述两个数值相等。这种抗剪强度折减系数与边坡整体稳定安全系数Fs的含义相同，并与极限平衡法中的稳定性安全系数概念相似。强度折减法的参数表达式为：

(1)

φm=tan-1(tanφ/Fr)

(2)

式中：c和φ为材料所能够提供的最大黏聚力和内摩擦角;cm和φm为材料实际发挥的黏聚力和内摩擦角；Fr为折减系数。

2 非饱和流固耦合理论

河水位升降是典型的非饱和流固耦合现象，根据非饱和土流固耦合理论，材料渗透系数与基质吸力可采用如下关系式：

Kw=awKws/[aw+(bw·x(ua-uw))cw]

(3)

式中：Kws为土体饱和时的渗透系数；ua和uw为气压和水压力；其余参数为材料参数。

而饱和度与基质吸力关系为：

Sr=Si+(Sn-Si)as/[as+(bs·x(ua-uw))cs]

(4)

式中：Sr为饱和度；Si为残余饱和度；Sn为最大饱和度；其余为材料参数。

3 模型建立与计算参数

本次建立河道边坡模型位于某河道工程，为黏土质边坡，灰黄色、灰白色及灰褐色，饱和，可塑，中等压缩性。切面稍有光泽，捻面较光滑，摇震无反应，韧性及干强度中等。根据室内试验测试，其黏土层主要组成部分为黏土矿物，包括有蒙脱石、伊利石等，碎屑矿物主要有石英与长石；其次含有少量方解石。通过对土样进行物理力学性质测定，测得其含水率20%，塑限含水率25%，液限含水率50%，塑性与液性指数分别为26和0.28。图1为本次数值分析模型。图1中，粉质黏土层1厚4 m，粉质黏土层2厚1.7 m，粉质黏土层3厚4.8 m，细沙层厚1.5 m。整个边坡长24.8 m。本文考虑极端天气的降雨下，水位上涨至粉质黏土1与粉质黏土2的交界处，此时水深8 m；之后按照每级1 m往下消退，直至水位降至离坡底1 m，来分析边坡稳定性。表1为本次的计算参数。

图1 边坡数值计算模型

表1 数值计算参数

4 水位消落深度对边坡稳定性影响

图2为不同水位深度下边坡稳定性计算结果。由图2可知，随着水位的下降，边坡的滑动面出现了不同程度的移动。当水位由8 m降低至7 m时，滑动面上端贯通面出现明显左移，而下端剪出口在平台区域出现向右移动的现象；总体上来看，可以认为初次水位消落会增大滑坡的体积，但同时也增大了安全系数。之后，当水位继续降低，边坡滑面的变化规律性不强，可能与边坡内部孔隙水压力的消散速度有一定关系。为了清晰地观察水位变化对边坡稳定性的影响，将不同水位下降深度对应的边坡安全系数给出，见表2。由表2可知，随着水位的下降，边坡的安全系数逐渐增大，稳定性不断提升。当水位深8 m时，安全系数为1.55；而当水位下降至1 m时，安全系数为2.19，增大41.87%。

图2 不同水位深度下边坡稳定性计算结果

表2 不同水位深度边坡安全系数

河水水位越高，安全系数越低，这是由于水流渗进土体，使土体的密度增加，抗剪强度降低。其次水在渗流过程中会对土体颗粒施加一个动水压力，是一个体积力，其大小与流动水的体积、水的容重和水力梯度有关，其方向与水流的方向一致。结构面的填充物在水的浮力作用下，重量降低，动水压力稍大时，就会带走结构面中的填充物颗粒，降低了边坡的稳定性。由于水流对边坡稳定性的影响非常大，所以边坡工程对水流的防治是边坡稳定的重要方面。图3给出了边坡安全系数随水位深度的拟合公式。

图3 边坡安全系数与水位深度拟合公式

5 边坡加固建议

本文为河道路基边坡，根据其破坏特点，可以考虑以下几种边坡加固方案：①植物护坡：通过人工培植边坡植被覆盖表土以防止雨水冲刷，植被的根系也可加固边坡的表层土体，调节土壤湿度以防止表土干裂及剥落的措施，包括植草、铺草皮和种树等，可以同时起到改善环境的作用。在开挖边坡台阶设置截水天沟，以截断开挖边坡上部地表径流，保护坡面和坡脚不受水流冲刷。②设置排水沟：天沟的断面形式、断面尺寸根据各坡面集雨面积估算，通过覆盖层地段的截水天沟以浆砌片石材料为主。截水沟的平、纵转角处设置曲线连接，其沟底纵坡为0.5%，出水口与排水沟衔接，并通过在坡面设置纵横向的消能跌槽和防冲刷措施以形成有效的排水系统。

6 结 论

本文以某河道工程为例，通过ABAQUS建立了二维河道边坡模型，采用有限元强度折减法，分析了不同河水水位下边坡的滑动面变化和安全系数演化，结论如下：

1) 当水位由8 m降低至7 m时，滑动面上端贯通面出现了明显左移，而下端剪出口在平台区域出现向右移动的现象。

2) 河水水位越高，安全系数越低。当水位深8 m时，安全系数为1.55；而当水位下降至1 m时，安全系数为2.19，增大41.87%。