驳岸岸坡渗流及稳定性分析

驳岸岸坡渗流及稳定性分析

0渗流计算模型的建立城市河流可以实现防洪、除洪水和蓄水抗旱的效果。在研究边坡、地基及坝体的变形和稳定时渗流计算占有重要的地位本文根据福州晋安河某段驳岸岸坡的工程地质条件,建立驳岸岸坡渗流计算模型,结合强度折减有限元法,研究了河床清淤深度、驳岸渗透系数、河水位高低对渗流场和稳定性的影响。研究成果对驳岸岸坡的稳定性评价及其加固具有理论及实际意义。11.1饱和土上的土稳定渗流微分方程假定土和水不可压缩,各向同性,针对饱和土单元体,结合达西定律,从质量守恒方程得到饱和土稳定渗流的微分方程,即:式中:上式含一个未知数,结合边界条件就有定解1.2减技术的要点强度折减技术的要点是利用式22.1材料模型和有限元模型计算段取自晋安河某河段的驳岸岸坡,岸坡由杂填土、粉质粘土、淤泥组成,河床为淤泥。河床面不规则,标高自驳岸坡脚向河中央减小。驳岸主要由干砌块石组成,形式特殊,分布不似一般土层,为了能够在边坡模型中模拟驳岸,可将驳岸视为一种土体材料,由于从宏观整体上对驳岸进行模拟,故将此种材料近似为均质各向同性。计算断面见图1,河床简化为两条相交的直线,在模拟中清淤表示为这两条直线向下平移,图中河床已清淤1m,最高点位于驳岸坡脚,高程3.6m,最低点1.85m;驳岸坡角75°,模型总长26m。根据实测资料,岸坡远端地下水位高程为5.6m,正常河水位4.2m。图中河水位3.6m表示刚好淹没全部河床时的水位线。用有限元软件Plaxis进行模拟,模型的边界条件为底边固定约束,高程-2m,岸坡和河床的侧边为水平约束。渗流的边界条件设置模型底部、左侧边界为隔水边界,水位以下为定水头边界,水位以上为零流量。有限元网格共剖分为481个单元,共3995个节点,如图2。各材料土体均不考虑各向异性,计算中近似取2.22.2.1护岸边坡稳定渗透流场分析模拟河水位4.2m,驳岸渗透系数9.0×10(1)排水深度对渗透率的影响现状河床,即计算模型中河床清淤深度已达1m。考虑未清淤至清淤深度1.4m的过程。(2)流携带细颗粒土充填的排水效果驳岸块石间的缝隙提供了水流的通道,能够被渗流携带的细颗粒土充填影响其渗透系数;有些驳岸段设有排水孔,加大了其排水性;也有浆砌加固段,渗透系数低。渗透系数分别取9.0×10(3)ph值对地下水渗流的影响根据河水位与河床、地下水位的关系,对五种不同河水位时的地下水渗流进行模拟。河水位分别取3.2m、3.6m、4.2m、5.6m和6.2m。2.2.2护岸稳定性分析基于驳岸数值模型,在上述三种变化因素影响下,结合强度折减有限元法分析驳岸岸坡的整体稳定性,研究稳定性的变化。33.1坡面水岸流速度分布河水位为4.2m,驳岸渗透系数9.0×10图3(a)显示了在正常河水位稳定渗流下驳岸岸坡渗流速度的矢量分布。箭头的方向代表流速的方向,箭头的大小表示流速的大小。从图中可以看出地下水浸润线总体较缓,在驳岸中浸润线坡度趋近于零,但在淤泥层中等水头线间距小,水力梯度大,浸润线较陡。图3(b)反映了驳岸的渗流状态,在驳岸坡脚渗流流速较大渗流集中。3.1.1部分出露出露图4为未清淤时的孔隙水压力阴影图,未清淤的河床最高点4.6m,坡脚河床部分出露。由浸润线的位置可知,虽然河水位为4.2m,但由于坡脚河床的出露,地下水位线连续于河床,高出河水位。当清淤超过0.4m,河床最高点降至4.2m以下,河水淹没河床,浸润线不再改变,如图3(a)所示。3.1.2孔隙水压力随渗透系数的变化当驳岸排水性能极差时,取渗透系数9.0×10将图5中驳岸内某点A和淤泥层中某点B的孔隙水压力随渗透系数的变化关系反映在图6中,两点坐标分别为(11.9,3.6)、(16.8,3.6)。孔隙水压力的变化可以反映出浸润线的变化,从图6可以看出,当渗透系数大于9×10注意到粉质粘土和淤泥的渗透系数取值为3.0×103.1.3水文位与c点渗透速度的关系图7显示了不同河水位时稳定渗流形成的浸润线。当河水位处于3.6m以下时,如河水位为3.2m时,河床部分出露,如前所述,此时浸润线的形态主要受河床高低的影响,河水位的不同不影响浸润线的形态。当河水位高于3.6m时,随着河水位的增加,地下水浸润线抬升,坡度变缓,土体中相应点孔隙水压力增加,驳岸表面河水作用呈线性分布的水压力也越大。将图中C点的渗透速度与水位关系绘出,定义水平分量指向坡外的渗透速度为正,如图8。河水位在3.6m～5.6m之间时,C点渗透速度随水位的提升而减小至零,当河水位高于5.6m时,渗透速度的大小继续增加,水平分量指向坡内。表明河水位的提升减小了驳岸的水力梯度,使渗流速度减小,导致水流对驳岸的渗透力减小,直到渗透力方向改变,有利于驳岸岸坡的稳定性。3.23.2.1清淤解除驳岸表面反压图9为考虑渗流与不考虑渗流时驳岸稳定性系数随清淤深度的变化情况,图10给出了未清淤和清淤1m强度折减后剪应变增量即最危险滑动面的分布。图9在考虑渗流和不考虑渗流作用的工况中,清淤解除驳岸表面反压,使驳岸岸坡稳定性降低。对比两条曲线可知,当清淤小于0.5m,两种工况下的稳定性系数几乎一致;当清淤超过0.5m,两者的稳定性系数有了明显的差异,考虑渗流时的稳定性系数高于不考虑渗流的工况。由3.1.1节的渗流分析并结合图10可知,当清淤小于0.5m时,最危险滑动面全部或大部分位于地下水位以上,几乎不受渗流作用的影响;当清淤超过0.5m,清淤形成的新滑动面受到坡外静水压力的作用,故稳定性提高。3.2.2渗透系数对稳定系数的影响表2反映了稳定性系数随渗透系数的变化。当渗透系数为9×103.2.3水文位升降控制稳定性河水位与稳定性系数的关系如图11。从图11可知,随着河水位的提高,驳岸岸坡稳定性系数总体趋势表现为提高,但也存在平稳段,结合3.1.3节的渗流分析,叙述如下:(1)河水位3.2m～3.8m,稳定性系数基本不变。表明当河床部分出露时,河水位的升降对驳岸稳定性影响不大。分析原因为地下水浸润线及河水位低于驳岸最危险滑动面,虽影响其他可能滑动面的安全系数,但对最危险滑动面的稳定性几乎不影响。(2)河水位3.8m～6.2m,稳定性系数提高。分析原因为河水位高于3.8m后,地下水位相应的抬升,更多的驳岸段浸水导致有效下滑力减小,坡外水压力增加且指向坡内,有利于稳定性的提高。特别地,当河水位高于5.6m后,由河水补给地下水,渗流方向改变,经驳岸流向坡内,渗透力方向也由指向坡外转变为坡内,稳定性提高,图8也说明了这一点。4坡脚河口保水水质分析(1)稳定渗流时,浸润线是不随时间改变的曲线,驳岸内水力梯度几乎为零,在驳岸坡脚渗流流速较大。(2)清淤使河床标高降低,驳岸表面反压解除,导致驳岸岸坡整体稳定性降低。(3)当驳岸坡脚河床最高点高于河水位时,地下水位线紧贴坡脚河床表面,最危险滑动面高于浸润线,稳定性几乎不受渗流的影响。当清淤使河水淹没河床,驳岸最危险滑动面末端位于河水位以下,考虑