地下水渗流作用下的河道崩岸稳定性分析

地下水渗流作用下的河道崩岸稳定性分析

河流上游和河流下游的基础不足，河流势变化，汛期高水位，洪水快速排放，降水入渗和岸坡高地下水位是导致岸坡河流水位失衡的主要原因。有二元地质结构(下面是覆盖层,上面是薄层黏土)的堤防、大江大河岸坡陡峭、河道曲折处及遭遇汛期高水位、汛后快速排泄洪水的河道极易发生崩岸险情,严重威胁两岸人民的生命财产安全以及河道的正常行洪。以长江荆江段为例,此段堤防工程地质构造多属砂土二元结构,砂层顶板高,河岸抗冲能力差,历史上崩岸频繁发生,堤防后移、大量农田崩失。此段的文村夹河段,江心洲将长江分为南北两汊。1998年特大洪水前,枯水期江水主流在南汊,文村夹所在的北汊基本不过流,大洪水后,河势发生变化,北汊发育明显,过流量加大,造成对文村夹河段河床的冲刷,2002年以来文村夹多次发生崩岸险情,河道水流方向的改变造成文村夹成为崩岸多发区。目前国内对河道崩岸研究主要是着眼于外部水流对河道的冲刷,较少关注地下水流对河道稳定系的影响。毛昶熙在其渗流专著中明确了渗流自下而上时的渗流出口处、覆盖层(受下部承压水顶托)和淹没出渗坡面及自由出渗坡面的临界渗流坡降的计算公式,结合河道坡面上的渗透坡降的实际分布,就可以判断出坡面是否会发生渗流破坏。1998年特大洪水后,毛昶熙等对国内的江堤进行了调研,研究认为抛石防冲是临时性、局部的抢险,应防范地下水流的危害。实际上地下水对崩岸影响并不亚于洪水顶冲,而且其危害和治导原理类同。都需要改造流场疏导流向,避免冲向岸坡。勃劳恩斯(1977)曾分析了不同渗流方向对坝坡稳定性的影响,研究表明水平向渗流较平行于坡面、垂直向下两种方向的稳定性大大降低。保尔(1982)系统地计算75种岸坡情况按照Bishop法求得的最小抗滑安全系数,说明了疏导流向能提高岸坡稳定性。单就防止坡面发生渗透破坏、降低浸润线、减少渗流量(渗流控制的主要目标)而言,土工织物和排水减压井能有效地降低渗流破坏发生的危险、改变地下水流流向和高度、增加边坡稳定性。目前土工布设计多参照1922年太沙基提出的设计准则。对于排水加压井附近渗流场的计算,在保持流量和水头相等的前提下,用窄沟代替井列。把原属三向渗流问题化为二向渗流问题来求解。本文开展地下水渗流对河道岸坡稳定的模型试验和数值分析,着重分析河道水位降落形成的非稳定渗流和地下水渗流对河道岸坡稳定的影响。并尝试改变地下水渗流来防治崩岸。1河流两岸的渗透稳定分析1.1渗流量计算模型1857年杜布依应用达西定律来研究不透水层面上有自由表面的地下渗流时,得到了著名的杜布依方程式式中:q为渗流单宽流量;k为土层渗透系数;h1,h2为浸润面在两个截面处与不透水底板的高差;L为截面间的距离。杜布依方程式表明不透水地基上的无压渗流浸润线为抛物线形式。在假定下游浸润线在下游水面以下为铅直线且水面以上具有1∶0.5的坡度的基础上,谢斯塔克夫联立上游垂直入渗段渗流方程和下游楔体渗流方程,求得地下水出逸点高程及渗流量。巴甫洛夫斯基对下游楔体进行分析后首先得到下游楔体渗流量计算式,再依据浸润线假定求得地下水逸出点高程。巴甫洛夫斯基公式较谢斯塔克夫公式简单实用。特别是下游无水时,巴甫洛夫斯基计算公式为式中:H1为河道地下水位;m2为河道坡比;L1为计算长度。1.2河流两岸的渗透稳定分析1.2.1试验土体密度参数的确定坡面有自由出渗条件时土颗粒在渗流力和自重的作用下会沿着坡面滑动、侵蚀坡面。土颗粒能承受的最大比降Jc的计算公式为式中:β为河道坡度;c,φ为土体抗剪强度指标;ρ为水的密度;ρ1′为土体的浮密度。试验土体采用了两种砂料:1)粉细砂:c=0,φ=30°,ρ1′=1.0g/cm3,得到Jc=0.07;2)中砂:c=0,φ=35°,ρ1′=1.0g/cm3,得到Jc=0.18。可见砂料临界坡降是很小的。1.2.2坡比假设出逸坡降对于砂体,坡比为m,则相应的地下水渗流出逸点坡降为试验模型坡比假设为1∶2.5或1∶2,则相应的出逸坡降为0.307和0.325,可见出逸坡降远大于临界坡降,也就是说,对砂体岸坡,在有地下水渗流出逸时渗流是不稳定的,必须采取渗流保护措施。1.3高水位带高、地下水冲淤严重,易形成崩岸风险比较渗流从下到上的太沙基公式和自由出渗段临界坡降和水下淹没段临界坡降公式后,发现坡面渗出点处的临界渗透坡降最小,即渗出点最易发生渗透破坏。由于地下水水流方向在河道坡面与水面交点处发生转向,由沿着坡面转向为垂直于坡面,因此理论上此点的渗透坡降无穷大,加之河道水面的波动及风浪冲刷及沿着坡面下渗的地下水的侵蚀等原因,此处极易冲塌,很不稳定。长期处于高水位运行的河道(汛期)快速行洪时由于大区域地下水位变动较河道水位缓慢,地下水在坡面上产生自由渗出面,河道水位下降,土体抗滑力较小,在河道坡面与水面处土颗粒首先起动破坏,上移至逸出面,最后呈现为块状坍落,临水面崩落,形成崩岸。降雨期间根据Bishop强度理论可知非饱和区基质吸力内摩擦角较小直至饱和后变为0,土体抗剪力减小,且由于入渗后饱和区升高形成自由出渗并增加了上部土体滑动力,从而易造成岸坡稳定性不满足。汛期高水位浸泡岸坡土体后土体抗剪强度显著减小,岸坡稳定性降低。可见地下水对岸坡稳定影响很大。在不考虑波浪冲刷、船行波冲击等条件下,对河道最不利的渗流水力学条件是河道水位比地下水位低很多,及汛期河道水位为高水位。试验中研究了河道水位下降过程,这种情况发生在汛后水位消退时期;还模拟了河道水位比地下水低很多的情况,这种情况主要出现在春汛期间,受降雨入渗影响,岸坡内地下水较高,易形成崩岸险情。下面从江河水位下降后的非稳定渗流和地下水渗流两个方面试验分析岸坡稳定性。2影响渗流边缘梯度的稳定性试验2.1坝体材料参数模型及测压场模拟试验依托南京水科院水工渗流试验室水槽模型。水槽长5.0m,宽30cm,高80cm。两侧均有供水、排水、平水设备。可双向进水,可模拟上下游均有水的土石坝和河道渗流。槽身由角钢和有机玻璃组合而成,底部由工字钢梁衬垫。水槽西侧钢板边壁凿孔接测压管及渗压计,在高程(相对于底板)10,20,30,40,50,60cm处间隔10cm打孔接测压管测量水头。试验步骤如下:1)控制干密度填筑细砂(均质坝坝型,k=3.7×10-3cm/s)。2)测量稳定渗流场,在下游出水处测量渗流量,当流速恒定时对各个测压管进行排气。确保各垂直断面上水头相差很小。3)用DV摄像机测量非稳定渗流场,将一测压管预设于河道侧底板上,测量河道水位的下降过程。间隔一定时间取图像,将所有的测压管集中于坐标纸架上。读取各时刻各测压管的水头值,误差<2mm。当图片读取的测压管水头值低于测压管高程时,测压管已进气,测值失真不再作为有效数据。4)埋设减压井,减压井直径2cm,开孔率>35%,四周开孔并包裹土工布,排水井位于河道高程55cm(相对底板)上,打至底部。共打3口井,两侧两口井距离边壁7.5cm。中间井处于水槽中线。试验时取坝顶中轴线处x=0,底板处y=0。x以向地下水位侧为正,y以向上为正。河道坡脚处x=-155cm。地下水垂直进口处x=75cm。室内模型坝坝高70cm,河道侧坡比1∶2,另一侧为垂直坡,以垂直透水板支撑。垂直坡侧模拟恒定地下水位,河道侧水位可以自由升降。剖面尺寸如图1所示。试验土体采用了两种砂料:1)粉细砂,土的渗透系数k=3.7×10-3cm/s;2)中砂,k=1×10-2cm/s,两种料填筑干密度控制为1.5g/cm3。本文试验均采用粉细砂。2.2河道坡面高、坡身加固检测试验水位组合为地下水位31cm,河道水位22cm(工况1)和地下水位41cm,河道水位31cm(工况2)两种工况。材料为细砂。针对两种工况进行饱和及非饱和渗流数值模拟计算。计算采用G-slope软件SEEP/w模块。图2和图3的实线为geo-slope软件计算得到的等势线分布,虚线为试验测点结果由surfer软件插值得到的等势线分布,实测和计算的浸润线相差很小。自底板以上10cm高程位置布置有16个测压管,列出测压管实测值与计算值对比如图4,5示。由图4,5可以看出分段法和有限元计算的水头值相当接近,误差小于0.5cm。实测值较有限元计算值稍小。两种工况下的边坡出逸坡降均为0.45。可见两种工况下的渗透坡降大于临界坡降。试验中见边坡渗流出逸并夹带沙粒,逐渐坍塌而最终发生渗透破坏,导致边坡滑坡破坏,形成崩岸险情。试验中,在河道岸坡底部至出逸位置以上10cm范围内铺设土工布滤层,试验结果表明,土工布滤层对地下水渗流能起到有效的反滤作用,布设土工布滤层后,整个试验过程中坡脚和边坡没有发生渗透破坏。工况1的河道抗滑稳定安全系数为1.572,工况2的河道抗滑稳定安全系数为1.275。2.3土水特征曲线试验尺寸见图1,河道(细砂填筑)水位初始时与地下水齐平。河道水位降落过程及控制点渗透坡降J如表1所示。土体孔隙率n=0.33,土水特征曲线选用a=7.7,n=3.7579,m=0.78287的fredlund模型。geoslope计算得到的150min和350min时渗流场如图6和图7所示。从表2和表3可以看出后期由于土工布排水能力强,靠近河道的测压管实测值较有限元计算值小。土工布可以加快排水、降低浸润线高度。3减少岸坡渗流,增加岸坡稳定性从前述试验结果和计算结果可知,河道岸坡渗流对岸坡的稳定性影响主要在于渗透力对岸坡的作用,因此可以进行渗流控制来改善渗流场,增加岸坡的稳定性。可以从两个方面来实施:1)降低岸坡内地下水位,即降低渗透力对岸坡的作用,可以采用降水井和排水沟等措施;2)对渗流出口进行有效保护,如反滤保护等,保证出口处不发生渗透变形,降低因江河水位急剧下降带来的岸坡内的高地下水位。3.1管井稳定渗流场模拟检测在多层地基中,由于弱透水层覆盖层的阻水作用,常使堤坝下游的下卧砂层水压过大,致使地基发生严重渗透变形并导致堤坝下游沼泽化、影响作物生长,此外,尾矿坝的渗水易污染下游生态环境,常在堤坝下游设置排水井。崩岸多发河段设置排水井,不仅可以降低地下水位,还可以减小渗透力、改变渗流方向、减小河道饱和区范围(提高抗剪能力),从而显著提高岸坡稳定性。河道(细砂填筑)高程为55cm处打3口井(尺寸与图1相同),3井均匀分布,地下水位分别为51cm和61cm。河道无水,实测稳定等势线图如图8和图9所示。将实测井点水头值代入geoslope模型后计算得到的稳定渗流场如图10和图11所示。Geoslope在模拟减压井二维渗流时将实测最低水头断面作为已知边界条件输入geoslope中。测压管在靠近地下水水源侧比geosloe计算值低,主要是由于局部水头损失的影响,实际计算时应增加一个附加渗径或水头损失。靠近河道段实测值比geoslope计算值大,也是由于局部水头损失的存在使得实际井的涌水量减小,减压井在降低后半段浸润线高度起到的作用减小,实测浸润线比geoslope计算值高。图10所示的滑弧,地下水位为51cm未打井时稳定系数为0.926(不满足要求),打井后为1.358(满足要求)。地下水位为61cm且未打井时稳定系数为0.836(不满足要求),打井后为1.297。稳定系数提高50%以上,有效防止岸坡滑动。3.2防止基土渗流穿滤层渗透铺设于渗流出口处、自由渗出段的反滤层(包括砂砾石粒状滤层和土工织物)能够有效地排除渗水,且地下水渗流一旦进入反滤层,渗透压力全部或大部分消散,从而能起到排水减压、防止土体发生渗透破坏的作用。试验时在河道50cm高程至河底铺设了一层土工布,观测发现其可防止渗出点及自由渗出面上土颗粒发生渗透破坏。出于保护基土不被冲蚀、避免滤层下面的渗水压力高顶坏滤层的目的,工程中滤层要满足防止基土粒随渗流穿滤层孔隙而出和自身有足够的透水性这两个条件,为减少外水的波浪、水流对滤层的冲击,基土面到外水之间的滤层有时应满足由细到粗分级过渡的要求。对于砂砾石粒状滤层要求满足:D15/d85<5(基本稳定性),D15/d15>5(滤层透水性),D60/D10<10(自身稳定性)。对于土工织物要求满足:Oe/d85<1(防止土颗粒流失),Oe/d15>1或kg/k