河道水位升降时岸坡渗流对边坡稳定的影响

河道水位升降时岸坡渗流对边坡稳定的影响

长期以来，所有学术学科，尤其是水力学和土力学，都进行了大量的研究，并取得了较高的进步，但许多研究工作仅限于对冲积河流两岸坍塌的研究。尽管在自然界的河流中渗流流量远远小于河流流量,但是它对于泥沙起动,泥沙输送,以及河床和岸坡的稳定等方面影响很大。研究岸坡渗流对边坡稳定的影响机理具有重要意义。岸坡的稳定性与岸坡泥沙的休止角密切相关。有关无粘性泥沙水下休止角的研究工作很多,但其结果有很大的出入,主要是由于试验采用的方法和泥沙性质不同所造成的。渗流的引入使得研究更加复杂,Rhee和Bezuijen在1992年提出了连续模型和单颗粒模型,分别用于计算向上和向下的渗流存在时泥沙的休止角。在较近期的研究中,Lu理论推导了渗流作用下均匀泥沙休止角的公式,适用于两种方向的渗流,计算结果和试验吻合很好。由于颗粒物质之间的孔隙存在,冲积河流两岸的边坡渗流是极其常见的。河道水位和地下水位之间的差异使得水连续的流入或流出岸坡形成渗流,土体内渗流场的研究相对比较成熟。图1给出了洪水过后渗流在岸坡中流动的示意图。本研究的主要目的是提出理论判据,分析渗流强度和方向对岸坡稳定的影响。1渗流过程的水力梯度退水期河道水位降落时在岸坡渗流面AB上(图1)的泥沙不再受到河道水流的冲刷作用,假设组成岸坡的泥沙为球状的无粘性颗粒,作用在边坡表层泥沙颗粒上的力的分布如图2所示。在起动的临界状态下颗粒1受力状况为渗透压力FS,水下重力W和来自颗粒3或4的法向力N和切向力T。作用力分布的几何关系如图3(a)和图3(b)所示。当颗粒开始起动时总是以滚动形式发生,以颗粒1为对象,容易写出以P点为名义力矩中心的力矩平衡方程∑Μ=FS?e1-W?e2=0(1)e1=Q1Ρsin(ϕ+θ)(2)e2=Ο1Ρsin(ϕ-α)(3)∑M=FS?e1−W?e2=0(1)e1=Q1Psin(ϕ+θ)(2)e2=O1Psin(ϕ−α)(3)式中e1和e2分别为渗透力和水下重力的力臂;α为渗流存在时的临界稳定坡度角;θ为渗流的方向,从斜坡的外法向按顺时针方向向渗流方向量测(图2),范围在0到2π之间。将式(2)和式(3)代入式(1),可得FS=sin(ϕ-α)sin(ϕ+θ)W(4)球形颗粒的水下重力为W=π6D3(ρs-ρ)g(5)FS=sin(ϕ−α)sin(ϕ+θ)W(4)球形颗粒的水下重力为W=π6D3(ρs−ρ)g(5)式中D为颗粒的粒径;ρs为泥沙的密度;ρ为流体(水)的密度;g为重力加速度。以渗流流出岸坡时的水力坡度为正,利用达西定律可推导出作用在边坡上层泥沙上的渗透压力(图4)为S=i?ρgD2ls(6)式中i为渗流的水力梯度。由于所考虑的边坡表面这一薄层长度为ls,宽度和长度皆为单颗粒粒径,其体积为D×D×ls,容易计算出薄层中泥沙颗粒的数目:n=6ls(1-ε)πD(7)式中ε为泥沙的孔隙率。这样,可得作用在单颗粒泥沙上的渗透力FS=i?ρgπD36(1-ε)(8)考虑到颗粒粗细的影响,在式(8)引入一系数,得FS=i?ρgπD3β6(1-ε)(9)式中β随泥沙颗粒的尺寸变化,对于粗颗粒泥沙取0.5,细颗粒取1。将式(5)和式(9)代入到式(4)可得i=(1-ε)ρs-ρρsin(ϕ-α)βsin(ϕ+θ)(10)式(10)暗示ϕ是没有渗流时的最大稳定坡度,也就是均匀球形泥沙的休止角。水平床面上泥沙液化临界状态时的水力梯度有如下形式:ic=(1-ε)ρs-ρρ(11)式(10)除以式(11)得iic=sin(ϕ-α)βsin(ϕ+θ)(12)应当注意到,在ϕ+θ=π或者2π时,α=ϕ,这是渗流是否有利于岸坡稳定的转折点。对于向上和向下的两种渗流,也就是θ=0或π,式(12)简化为iic=sin(ϕ-α)βsinϕ(13)2沙体材料特性试验是在一个长30m,宽0.7m,深0.6m的玻璃水槽中进行,中部的试验区有一段长2m,深0.2m和水槽同宽的凹陷,用来提供均匀渗流(图5)。渗流区的泥沙由一块覆盖有滤布的不锈钢多孔钢板支撑,下部固定有12根相同的管道,用来控制和测量向下的渗流;向上的渗流由单独的潜水泵提供,并由电磁流量计监控。试验采用3种沙样,表1中列出每种泥沙的主要特性,其中均匀系数由公式δ=12(D84/D50+D50/D16)计算得出,图6给出了3种泥沙的粒径分布累积频率曲线。实验步骤如下:①通过尾闸调节水槽中水深到预定值;②将泥沙自由沉降到渗流区域形成沙丘到适当高度,并利用床面形态测量仪量测沙丘的几何尺寸;③缓慢引入向下或向上的渗流到预定大小;④由于渗流引入时的冲击,斜坡并非此时的临界稳定坡度,所以在达到稳定状态后需沉入额外的泥沙颗粒到沙丘上以保证边坡的坡度最大。这样试验得到对应于不同的渗流强度的临界稳定坡度。3渗流强度对岸坡稳定性的影响测量数据表明渗流的存在对临界坡度的影响很大:向上的渗流减小了临界坡度;而向下的渗流作用相反(图7)。理论式(13)也在图7中绘出,方程中的系数取β=0.75和ϕ=34°,可见理论方程和试验点据吻合得很好。值得注意的是对于每组泥沙都取β=0.75和ϕ=34°不能认为是妥当的,因为这些系数是随泥沙颗粒的大小和形状而变化的。对于河道水位下降时岸坡中渗流的流场可参照图1所示,在坡面上渗流的方向从在A点处的θ=0°变化到B点处的θ=90°。在渗流方向的变化范围内绘出式(12)(图8),这里同样取系数β=0.75和ϕ=34°,可以得到一组曲线,每根曲线对应于不同的渗流大小i/ic。由图8可看出,临界稳定坡度是随渗流方向θ变化的,并且在渗流方向为θ=90°-ϕ时临界坡度取得其最小值,也就是在渗流强度相同时这一渗流方向最不利于岸坡的稳定。同时,图8也表明渗流强度越大将导致更小的临界稳定坡度,再次验证了渗流可能破坏岸坡稳定。张幸农等通过概化模型试验测量了在渠道水位以不同的速率降低时岸坡的稳定性。试验观测表明渠道水位的退水速率的加大会导致岸坡中渗流强度的增大,从而使得岸坡稳定性减小,这一结论和式(12)或图8中描绘的基本一致。退水期河道中水位下降导致了岸坡中渗流的形成(图1),使得原先坡度等于无渗流作用下泥沙休止角的岸坡失去稳定。由于坡面上各点处渗流方向不同,造成各处的临界稳定坡度也不同。考虑最安全的情况,也就是以最不利于岸坡稳定的渗流方向下的临界稳定坡度作为退水时渗流作用下的临界坡度。例如,退水前岸坡稳定在α=ϕ=34°,退水时河道水位的下降造成强度为i/ic=0.30的渗流,可以由式(12)计算出最小的临界稳定坡度α=17°,也就是此渗流影响下岸坡重新达到稳定时的临界坡度,这点图8中的曲线可以更加直观的表达。需要再次指出由于坡面表面的渗流其方向并非都是最不利于岸坡稳定,也就是θ=90°-ϕ,所以这样预测的渗流对岸坡稳定的影响偏大,但无疑提供了一种退水期考虑渗流作用,对临界稳定坡度的合理和安全的估计方法。同时,式(12)也可以用来估算维持岸坡稳定的最大渗流强度。4渗流方向对稳定性的影响通过理论分析和试验相结合,详细分析了退水期河道水位下降时岸坡渗流对于边坡稳定的影响。研究首先在泥沙颗粒受力分析中引入渗透力,推导出渗流水力梯度和临界坡度的关系方程。渗流方向在0<θ<π-ϕ和