地下水滲流作用下的河道崩岸穩(wěn)定性分析

地下水滲流作用下的河道崩岸穩(wěn)定性分析

河流上游和河流下游的基礎(chǔ)不足，河流勢變化，汛期高水位，洪水快速排放，降水入滲和岸坡高地下水位是導(dǎo)致岸坡河流水位失衡的主要原因。有二元地質(zhì)結(jié)構(gòu)(下面是覆蓋層,上面是薄層黏土)的堤防、大江大河岸坡陡峭、河道曲折處及遭遇汛期高水位、汛后快速排泄洪水的河道極易發(fā)生崩岸險(xiǎn)情,嚴(yán)重威脅兩岸人民的生命財(cái)產(chǎn)安全以及河道的正常行洪。以長江荊江段為例,此段堤防工程地質(zhì)構(gòu)造多屬砂土二元結(jié)構(gòu),砂層頂板高,河岸抗沖能力差,歷史上崩岸頻繁發(fā)生,堤防后移、大量農(nóng)田崩失。此段的文村夾河段,江心洲將長江分為南北兩汊。1998年特大洪水前,枯水期江水主流在南汊,文村夾所在的北汊基本不過流,大洪水后,河勢發(fā)生變化,北汊發(fā)育明顯,過流量加大,造成對(duì)文村夾河段河床的沖刷,2002年以來文村夾多次發(fā)生崩岸險(xiǎn)情,河道水流方向的改變?cè)斐晌拇鍔A成為崩岸多發(fā)區(qū)。目前國內(nèi)對(duì)河道崩岸研究主要是著眼于外部水流對(duì)河道的沖刷,較少關(guān)注地下水流對(duì)河道穩(wěn)定系的影響。毛昶熙在其滲流專著中明確了滲流自下而上時(shí)的滲流出口處、覆蓋層(受下部承壓水頂托)和淹沒出滲坡面及自由出滲坡面的臨界滲流坡降的計(jì)算公式,結(jié)合河道坡面上的滲透坡降的實(shí)際分布,就可以判斷出坡面是否會(huì)發(fā)生滲流破壞。1998年特大洪水后,毛昶熙等對(duì)國內(nèi)的江堤進(jìn)行了調(diào)研,研究認(rèn)為拋石防沖是臨時(shí)性、局部的搶險(xiǎn),應(yīng)防范地下水流的危害。實(shí)際上地下水對(duì)崩岸影響并不亞于洪水頂沖,而且其危害和治導(dǎo)原理類同。都需要改造流場疏導(dǎo)流向,避免沖向岸坡。勃?jiǎng)诙魉?1977)曾分析了不同滲流方向?qū)纹路€(wěn)定性的影響,研究表明水平向滲流較平行于坡面、垂直向下兩種方向的穩(wěn)定性大大降低。保爾(1982)系統(tǒng)地計(jì)算75種岸坡情況按照Bishop法求得的最小抗滑安全系數(shù),說明了疏導(dǎo)流向能提高岸坡穩(wěn)定性。單就防止坡面發(fā)生滲透破壞、降低浸潤線、減少滲流量(滲流控制的主要目標(biāo))而言,土工織物和排水減壓井能有效地降低滲流破壞發(fā)生的危險(xiǎn)、改變地下水流流向和高度、增加邊坡穩(wěn)定性。目前土工布設(shè)計(jì)多參照1922年太沙基提出的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。對(duì)于排水加壓井附近滲流場的計(jì)算,在保持流量和水頭相等的前提下,用窄溝代替井列。把原屬三向滲流問題化為二向滲流問題來求解。本文開展地下水滲流對(duì)河道岸坡穩(wěn)定的模型試驗(yàn)和數(shù)值分析,著重分析河道水位降落形成的非穩(wěn)定滲流和地下水滲流對(duì)河道岸坡穩(wěn)定的影響。并嘗試改變地下水滲流來防治崩岸。1河流兩岸的滲透穩(wěn)定分析1.1滲流量計(jì)算模型1857年杜布依應(yīng)用達(dá)西定律來研究不透水層面上有自由表面的地下滲流時(shí),得到了著名的杜布依方程式式中:q為滲流單寬流量;k為土層滲透系數(shù);h1,h2為浸潤面在兩個(gè)截面處與不透水底板的高差;L為截面間的距離。杜布依方程式表明不透水地基上的無壓滲流浸潤線為拋物線形式。在假定下游浸潤線在下游水面以下為鉛直線且水面以上具有1∶0.5的坡度的基礎(chǔ)上,謝斯塔克夫聯(lián)立上游垂直入滲段滲流方程和下游楔體滲流方程,求得地下水出逸點(diǎn)高程及滲流量。巴甫洛夫斯基對(duì)下游楔體進(jìn)行分析后首先得到下游楔體滲流量計(jì)算式,再依據(jù)浸潤線假定求得地下水逸出點(diǎn)高程。巴甫洛夫斯基公式較謝斯塔克夫公式簡單實(shí)用。特別是下游無水時(shí),巴甫洛夫斯基計(jì)算公式為式中:H1為河道地下水位;m2為河道坡比;L1為計(jì)算長度。1.2河流兩岸的滲透穩(wěn)定分析1.2.1試驗(yàn)土體密度參數(shù)的確定坡面有自由出滲條件時(shí)土顆粒在滲流力和自重的作用下會(huì)沿著坡面滑動(dòng)、侵蝕坡面。土顆粒能承受的最大比降Jc的計(jì)算公式為式中:β為河道坡度;c,φ為土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo);ρ為水的密度;ρ1′為土體的浮密度。試驗(yàn)土體采用了兩種砂料:1)粉細(xì)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?？梢娚傲吓R界坡降是很小的。1.2.2坡比假設(shè)出逸坡降對(duì)于砂體,坡比為m,則相應(yīng)的地下水滲流出逸點(diǎn)坡降為試驗(yàn)?zāi)Ｐ推卤燃僭O(shè)為1∶2.5或1∶2,則相應(yīng)的出逸坡降為0.307和0.325,可見出逸坡降遠(yuǎn)大于臨界坡降,也就是說,對(duì)砂體岸坡,在有地下水滲流出逸時(shí)滲流是不穩(wěn)定的,必須采取滲流保護(hù)措施。1.3高水位帶高、地下水沖淤嚴(yán)重,易形成崩岸風(fēng)險(xiǎn)比較滲流從下到上的太沙基公式和自由出滲段臨界坡降和水下淹沒段臨界坡降公式后,發(fā)現(xiàn)坡面滲出點(diǎn)處的臨界滲透坡降最小,即滲出點(diǎn)最易發(fā)生滲透破壞。由于地下水水流方向在河道坡面與水面交點(diǎn)處發(fā)生轉(zhuǎn)向,由沿著坡面轉(zhuǎn)向?yàn)榇怪庇谄旅?因此理論上此點(diǎn)的滲透坡降無窮大,加之河道水面的波動(dòng)及風(fēng)浪沖刷及沿著坡面下滲的地下水的侵蝕等原因,此處極易沖塌,很不穩(wěn)定。長期處于高水位運(yùn)行的河道(汛期)快速行洪時(shí)由于大區(qū)域地下水位變動(dòng)較河道水位緩慢,地下水在坡面上產(chǎn)生自由滲出面,河道水位下降,土體抗滑力較小,在河道坡面與水面處土顆粒首先起動(dòng)破壞,上移至逸出面,最后呈現(xiàn)為塊狀坍落,臨水面崩落,形成崩岸。降雨期間根據(jù)Bishop強(qiáng)度理論可知非飽和區(qū)基質(zhì)吸力內(nèi)摩擦角較小直至飽和后變?yōu)?,土體抗剪力減小,且由于入滲后飽和區(qū)升高形成自由出滲并增加了上部土體滑動(dòng)力,從而易造成岸坡穩(wěn)定性不滿足。汛期高水位浸泡岸坡土體后土體抗剪強(qiáng)度顯著減小,岸坡穩(wěn)定性降低。可見地下水對(duì)岸坡穩(wěn)定影響很大。在不考慮波浪沖刷、船行波沖擊等條件下,對(duì)河道最不利的滲流水力學(xué)條件是河道水位比地下水位低很多,及汛期河道水位為高水位。試驗(yàn)中研究了河道水位下降過程,這種情況發(fā)生在汛后水位消退時(shí)期;還模擬了河道水位比地下水低很多的情況,這種情況主要出現(xiàn)在春汛期間,受降雨入滲影響,岸坡內(nèi)地下水較高,易形成崩岸險(xiǎn)情。下面從江河水位下降后的非穩(wěn)定滲流和地下水滲流兩個(gè)方面試驗(yàn)分析岸坡穩(wěn)定性。2影響滲流邊緣梯度的穩(wěn)定性試驗(yàn)2.1壩體材料參數(shù)模型及測壓場模擬試驗(yàn)依托南京水科院水工滲流試驗(yàn)室水槽模型。水槽長5.0m,寬30cm,高80cm。兩側(cè)均有供水、排水、平水設(shè)備?？呻p向進(jìn)水,可模擬上下游均有水的土石壩和河道滲流。槽身由角鋼和有機(jī)玻璃組合而成,底部由工字鋼梁襯墊。水槽西側(cè)鋼板邊壁鑿孔接測壓管及滲壓計(jì),在高程(相對(duì)于底板)10,20,30,40,50,60cm處間隔10cm打孔接測壓管測量水頭。試驗(yàn)步驟如下:1)控制干密度填筑細(xì)砂(均質(zhì)壩壩型,k=3.7×10-3cm/s)。2)測量穩(wěn)定滲流場,在下游出水處測量滲流量,當(dāng)流速恒定時(shí)對(duì)各個(gè)測壓管進(jìn)行排氣。確保各垂直斷面上水頭相差很小。3)用DV攝像機(jī)測量非穩(wěn)定滲流場,將一測壓管預(yù)設(shè)于河道側(cè)底板上,測量河道水位的下降過程。間隔一定時(shí)間取圖像,將所有的測壓管集中于坐標(biāo)紙架上。讀取各時(shí)刻各測壓管的水頭值,誤差<2mm。當(dāng)圖片讀取的測壓管水頭值低于測壓管高程時(shí),測壓管已進(jìn)氣,測值失真不再作為有效數(shù)據(jù)。4)埋設(shè)減壓井,減壓井直徑2cm,開孔率>35%,四周開孔并包裹土工布,排水井位于河道高程55cm(相對(duì)底板)上,打至底部。共打3口井,兩側(cè)兩口井距離邊壁7.5cm。中間井處于水槽中線。試驗(yàn)時(shí)取壩頂中軸線處x=0,底板處y=0。x以向地下水位側(cè)為正,y以向上為正。河道坡腳處x=-155cm。地下水垂直進(jìn)口處x=75cm。室內(nèi)模型壩壩高70cm,河道側(cè)坡比1∶2,另一側(cè)為垂直坡,以垂直透水板支撐。垂直坡側(cè)模擬恒定地下水位,河道側(cè)水位可以自由升降。剖面尺寸如圖1所示。試驗(yàn)土體采用了兩種砂料:1)粉細(xì)砂,土的滲透系數(shù)k=3.7×10-3cm/s;2)中砂,k=1×10-2cm/s,兩種料填筑干密度控制為1.5g/cm3。本文試驗(yàn)均采用粉細(xì)砂。2.2河道坡面高、坡身加固檢測試驗(yàn)水位組合為地下水位31cm,河道水位22cm(工況1)和地下水位41cm,河道水位31cm(工況2)兩種工況。材料為細(xì)砂。針對(duì)兩種工況進(jìn)行飽和及非飽和滲流數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算采用G-slope軟件SEEP/w模塊。圖2和圖3的實(shí)線為geo-slope軟件計(jì)算得到的等勢線分布,虛線為試驗(yàn)測點(diǎn)結(jié)果由surfer軟件插值得到的等勢線分布,實(shí)測和計(jì)算的浸潤線相差很小。自底板以上10cm高程位置布置有16個(gè)測壓管,列出測壓管實(shí)測值與計(jì)算值對(duì)比如圖4,5示。由圖4,5可以看出分段法和有限元計(jì)算的水頭值相當(dāng)接近,誤差小于0.5cm。實(shí)測值較有限元計(jì)算值稍小。兩種工況下的邊坡出逸坡降均為0.45。可見兩種工況下的滲透坡降大于臨界坡降。試驗(yàn)中見邊坡滲流出逸并夾帶沙粒,逐漸坍塌而最終發(fā)生滲透破壞,導(dǎo)致邊坡滑坡破壞,形成崩岸險(xiǎn)情。試驗(yàn)中,在河道岸坡底部至出逸位置以上10cm范圍內(nèi)鋪設(shè)土工布濾層,試驗(yàn)結(jié)果表明,土工布濾層對(duì)地下水滲流能起到有效的反濾作用,布設(shè)土工布濾層后,整個(gè)試驗(yàn)過程中坡腳和邊坡沒有發(fā)生滲透破壞。工況1的河道抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.572,工況2的河道抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.275。2.3土水特征曲線試驗(yàn)尺寸見圖1,河道(細(xì)砂填筑)水位初始時(shí)與地下水齊平。河道水位降落過程及控制點(diǎn)滲透坡降J如表1所示。土體孔隙率n=0.33,土水特征曲線選用a=7.7,n=3.7579,m=0.78287的fredlund模型。geoslope計(jì)算得到的150min和350min時(shí)滲流場如圖6和圖7所示。從表2和表3可以看出后期由于土工布排水能力強(qiáng),靠近河道的測壓管實(shí)測值較有限元計(jì)算值小。土工布可以加快排水、降低浸潤線高度。3減少岸坡滲流,增加岸坡穩(wěn)定性從前述試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果可知,河道岸坡滲流對(duì)岸坡的穩(wěn)定性影響主要在于滲透力對(duì)岸坡的作用,因此可以進(jìn)行滲流控制來改善滲流場,增加岸坡的穩(wěn)定性?？梢詮膬蓚€(gè)方面來實(shí)施:1)降低岸坡內(nèi)地下水位,即降低滲透力對(duì)岸坡的作用,可以采用降水井和排水溝等措施;2)對(duì)滲流出口進(jìn)行有效保護(hù),如反濾保護(hù)等,保證出口處不發(fā)生滲透變形,降低因江河水位急劇下降帶來的岸坡內(nèi)的高地下水位。3.1管井穩(wěn)定滲流場模擬檢測在多層地基中,由于弱透水層覆蓋層的阻水作用,常使堤壩下游的下臥砂層水壓過大,致使地基發(fā)生嚴(yán)重滲透變形并導(dǎo)致堤壩下游沼澤化、影響作物生長,此外,尾礦壩的滲水易污染下游生態(tài)環(huán)境,常在堤壩下游設(shè)置排水井。崩岸多發(fā)河段設(shè)置排水井,不僅可以降低地下水位,還可以減小滲透力、改變滲流方向、減小河道飽和區(qū)范圍(提高抗剪能力),從而顯著提高岸坡穩(wěn)定性。河道(細(xì)砂填筑)高程為55cm處打3口井(尺寸與圖1相同),3井均勻分布,地下水位分別為51cm和61cm。河道無水,實(shí)測穩(wěn)定等勢線圖如圖8和圖9所示。將實(shí)測井點(diǎn)水頭值代入geoslope模型后計(jì)算得到的穩(wěn)定滲流場如圖10和圖11所示。Geoslope在模擬減壓井二維滲流時(shí)將實(shí)測最低水頭斷面作為已知邊界條件輸入geoslope中。測壓管在靠近地下水水源側(cè)比geosloe計(jì)算值低,主要是由于局部水頭損失的影響,實(shí)際計(jì)算時(shí)應(yīng)增加一個(gè)附加滲徑或水頭損失?？拷拥蓝螌?shí)測值比geoslope計(jì)算值大,也是由于局部水頭損失的存在使得實(shí)際井的涌水量減小,減壓井在降低后半段浸潤線高度起到的作用減小,實(shí)測浸潤線比geoslope計(jì)算值高。圖10所示的滑弧,地下水位為51cm未打井時(shí)穩(wěn)定系數(shù)為0.926(不滿足要求),打井后為1.358(滿足要求)。地下水位為61cm且未打井時(shí)穩(wěn)定系數(shù)為0.836(不滿足要求),打井后為1.297。穩(wěn)定系數(shù)提高50%以上,有效防止岸坡滑動(dòng)。3.2防止基土滲流穿濾層滲透鋪設(shè)于滲流出口處、自由滲出段的反濾層(包括砂礫石粒狀濾層和土工織物)能夠有效地排除滲水,且地下水滲流一旦進(jìn)入反濾層,滲透壓力全部或大部分消散,從而能起到排水減壓、防止土體發(fā)生滲透破壞的作用。試驗(yàn)時(shí)在河道50cm高程至河底鋪設(shè)了一層土工布,觀測發(fā)現(xiàn)其可防止?jié)B出點(diǎn)及自由滲出面上土顆粒發(fā)生滲透破壞。出于保護(hù)基土不被沖蝕、避免濾層下面的滲水壓力高頂壞濾層的目的,工程中濾層要滿足防止基土粒隨滲流穿濾層孔隙而出和自身有足夠的透水性這兩個(gè)條件,為減少外水的波浪、水流對(duì)濾層的沖擊,基土面到外水之間的濾層有時(shí)應(yīng)滿足由細(xì)到粗分級(jí)過渡的要求。對(duì)于砂礫石粒狀濾層要求滿足:D15/d85<5(基本穩(wěn)定性),D15/d15>5(濾層透水性),D60/D10<10(自身穩(wěn)定性)。對(duì)于土工織物要求滿足:Oe/d85<1(防止土顆粒流失),Oe/d15>1或kg/k