河流水位与地下水流量联合效应对河岸稳定性分析.pdf

第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023收稿日期 2022-10-23作者简介 丁 培(1987-),女,新疆库尔勒人,工程师,学士,主要从事水量调度、水资源管理、工程运行管理、生态输水以及防汛调度等工作.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.11.009河流水位与地下水流量联合效应对河岸稳定性分析丁 培(塔里木河流域干流管理局,新疆 库尔勒 841000)摘 要现有河岸稳定性模型在一些简化假设下考虑了孔隙水压力的影响,因而在预测能力上存在一定局限性。为避免孔隙水压力分布估算与现实不符的情况,提出将河岸稳定性与地下水流建模相结合,并将其应用于解决河流水位与地下水位之间的联合效应。同时,为考虑河岸材料特性和入渗的影响,对地下水流进行模拟。模拟结果表明,河岸在下落阶段易发生破坏;河岸材料特性是河岸破坏发生的主要因素。参数结果表明,在下落阶段,低渗透或高产水率土质、入渗强度大的河岸有失稳的倾向。关键词河岸稳定性;地下水流量;孔隙水压力;河流水位中图分类号 TV147 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)11-0040-040 引 言河岸稳定性是河床变形研究中非常重要的内容。河岸失稳破坏是指河岸土体的稳定性下降,导致部分土体在重力作用下发生滑动,从而发生破坏。河岸失稳破坏不仅会对岸边周围耕地造成严重损失,而且会对岸边的生态环境造成较大的负面影响,因此对河岸稳定性进行研究是非常必要的。河岸稳定性系数 FS 是衡量河岸稳定性的可靠指标,当 FS 小于 1 时,河岸处于失稳状态。目前,国内主要采用极限平衡理论进行河岸稳定性的计算1。但是,在计算模型中并未考虑孔隙水和静水压力的影响,因此计算结果存在一定缺陷。有些学者在上述模型的基础上进行改进,但因为计算过程较为复杂,所以在实际工程应用中仍存在一定差距2。还有些学者通过建模,研究水位变化对于河岸稳定性的影响3。上述研究均采用的是传统饱和土力学理论,忽略了基质吸力对河岸稳定性的影响。而事实上,在地下水位较低的情况下,潜在的破坏面可能会穿过土体非饱和部分,因此基质吸力在计算 FS 中起到了较为重要的作用。为了克服上述研究中存在的不足,本文将稳定性分析与地下水流计算相结合,进一步细化地下水位波动的影响,以及河流水位与地下水位的相互作用。本文首先阐述地下水流模拟和河岸稳定性相关理论,然后将两种具有代表性的预测方法与本文提出的方法进行预测能力对比;并通过两个独立的假设示例,分析模型中不同参数对河岸稳定性的影响,为判断河岸稳定性提供理论参考。1 理论基础1.1 地下水流建模非稳定地下水流问题可由局部直角笛卡尔坐标系下的一维 Boussinesq 方程4来描述,控制方程如下:Sht=Kthx()+I 0 xl(1)04丁 培:河流水位与地下水流量联合效应对河岸稳定性分析第 11 期h(0,t)=H1(t)h(l,t)=H2(t)h(x,0)=H0(x)(2)式中:S 为产水率;h 为地下水位高度;K 为水力传导率;I 为渗透补给速率;x、t 为空间和时间坐标;l 为流域的长度;H1(t)、H2(t)为边界处水位的时间波动高度;H0(x)为跨流域水位的初始高度。上述方法仅适用于分析边界条件非常简单的问题。因此,本文采用完全隐式有限差分法,控制方程的表达式为:v=h2(3)S2vnivn+li-vnit()-K2vn+li+l-2vn+li+vn+li-lx2()=I(4)根据式(3)、式(4),即可得到地下水位高度h,从而绘制出河岸内地下水位剖面图。然而,仅通过地下水位图仍然无法确定河岸任一位置的孔隙水压力。因此,有学者提出下述假设:孔隙水压力随地下水位上方或下方的距离变化而变化。即在地下水位以上,孔隙水压力为负,呈线性下降;反之,呈线性上升。本文根据上述假设,估计孔隙水压力的分布。1.2 河岸稳定性公式河岸稳定性可用安全系数 FS 来评价,其表达式为:FS=cL+Stanb+Wcos+Pcos-()-U tanWsin-Psin-()(5)式中:c为有效内聚力;L 为破坏面长度;b为确定基质吸力增加导致的抗剪强度增加速率的角度;为破坏平面角;为河岸的角度;为土体的有效摩擦角。当 FS1.0 时,河岸处于稳定状态;FS=1.0时,河岸处于临界状态;当 FS1.0 时,河岸处于不稳定状态。在式(5)的计算中,需要先确定破坏平面的角度,才能确定破坏块的重量和破坏面的长度。因此,本文采用式(6)来估算破坏平面角的大小,公式如下:=12+()(6)2 研究过程与结果分析2.1 工况假设假设示例 1:河岸高度 H=3m 的河流上升和下降阶段,用于研究具有以下参数的 FS 变化:=60,s=18kN/m3,c=3kPa,=33,b=16,S=0.2 和 K=10-5 m/s。应用地下水流模型即式(2)可以发现,水文曲线随时间在 0.6 2.4m阶段呈线性变化,并持续 4h。假设示例 2:设置为无通量条件h(l,t)x=0(),模拟中使用的流域长度为 30m,假定初始地下水表面剖面等于初期河流水位。在第一组和第二组的方法中,河流水位变化对稳定状态的影响结果如下:在上升阶段,地下水位与河流阶段立即达到平衡;在下降阶段,地下水位保持悬浮在上升阶段达到的水平。2.2 参数的影响分析2.2.1 水力传导率的影响图 1 中,上下两组曲线分别为上升和下降阶段 FS 相对于 Hw/H 的变化情况。图 1 不同 K 值下 FS 随 Hw/H 的变化情况14第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023 从图 1 可以看出,在上升阶段,FS 从 1.72 左右开始振动,在水流活动结束时达到最大值,对应的 K 值分别为 10-5和 10-6m/s。这是因为河流水位越高,围压越大,K 值越小,对河岸的阻力越强。表明 K 值较小的河岸内的承压水不能立即排水,静水浮力和基质吸力可能基本保持不变,但静水压力的突然下降,导致了河岸最终发生破坏。2.2.2 产水率的影响产水率 S 是饱和后重力排水的体积与土壤体积的比值,是地下水模拟的另一个主要参数。重复上述方法,采用 S 的代表值 0.05、0.1、0.2 和0.3 来检验上升和下降阶段条件下 FS 随 Hw/H的变化,模拟结果见图 2。由图 2 可知,在上升阶段 FS 波动范围较小,表明产水率对河岸稳定性影响较小。另外,S 值越大的河岸在下降阶段就越不稳定。初步分析,这可能是由于 S 越高,河岸内的水量就越多,因此需要更多的时间来释放,导致地下水位升高。由此可以得出,在河岸稳定性分析中,河岸土质是影响河岸稳定性的一个重要因素。图 2 不同 S 值下 FS 随 Hw/H 的变化情况2.2.3 渗透效果分析模拟研究河段固定在 0.6m 时,不同入渗强度均匀分布在 10、25、50 和 75 mm/h 时的 4 种情况,其他参数与前面的分析相同。模拟不同渗透强度下,FS 随时间的变化,结果见图 3。由图 3 可知,FS 随时间的增加呈现出近似线性下降的趋势。在前 24h 内,入渗强度分别为 75、50 和 25mm/h时,约在 4.6、7.5 和 19h 后发生河岸破坏。而在10mm/h 的渗透强度下,FS 值在 1.721.53 之间逐渐变化,在渗透结束时没有触发破坏。图 3 不同渗透强度下 FS 随时间的变化2.2.4 河流水位变化率的影响从前面的模拟结果可以确定,河段的波动对河岸稳定性有较大影响。评价水位升降阶段的变化率 Vw对河岸稳定性的影响成为河道整治工程的一项重要任务。图4 中,选择Vw分别为 0.05、0.1、0.5、1.0 和 2.0 m/h 时,考察 FS 随 Hw/h 比值的变化情况。以下降阶段为例进行分析,由于河流阶段的快速下降导致静水压力急剧下降,FS 从24丁 培:河流水位与地下水流量联合效应对河岸稳定性分析第 11 期1.54 开始持续下降,特别是 Vw为 2.0 m/h 时触发失效。因此,从模拟中可以得出,地下水位与河流水位之间的关系对河岸的稳定性起着重要的作用。图 4 不同 Vw值下 FS 随 Hw/H 的变化情况3 结 论本文提出的新方法将地下水流动和稳定性分析相结合,以获得更真实的地下水位,从而确定正负孔隙水压力对河岸稳定性的影响。同时,可以预测河岸破坏的时间以及分析河岸稳定状态。结论如下:1)基质吸力的作用对河岸稳定性影响较大,尤其在地下水位较低的情况下,应予以考虑。2)低渗透或高产水率的河岸土质、严重的入渗和快速沉降阶段有可能导致河岸不稳定。3)即使在下落阶段,河岸也可能发生破坏,这主要取决于土壤性质。因此,河岸的材料特性不仅决定了抗剪强度,而且直接影响地下水位分布,需要特别重视。参考文献1 邓合玉.水流冲蚀作用下的河岸边坡稳定性分析J.价值工程,2020,39(21):238-240.2 黄本胜,白玉川,万艳春.河岸崩塌机理的理论模式及其计算J.水利学报,2002(9):49-54,60.3 吕庆标,岳红艳,朱勇辉,等.水位变化速率对河道崩岸的影响J.长江科学院院报,2021,38(5):11-16.4 孙家文,房克照,刘忠波,等.关于 Boussinesq 型水波方程理论和应用研究的综述J.海洋学报,2020,42(5):1-11.(上接第 18 页)4 结 论1)水库土石坝植被护坡中,不同植被护坡条件下,土壤体积含水率存在显著差异。四季青护坡的土壤体积含水率最高,金银花护坡次之,素土边坡最低。因此,在水库土石坝植被护坡的设计和维护中,应考虑不同植被类型对渗流状态的影响,选取合适的植被种类和密度,以达到最佳的防洪和稳定效果。2)植被覆盖是提高边坡稳定性和安全系数的重要因素,可有效减缓降雨对边坡稳定性的影响,提高其安全系数。相比于素土边坡,四季青植被边坡和金银花植被边坡具有更好的稳定性,其安全系数减幅更小,安全系数增幅更大。在水库土石坝护坡的设计和维护中,建议考虑植被的作用,提高护坡防洪能力。参考文献1 高媛.不同植被防护条件下土石坝背水坡降雨入渗规律及稳定性研究D.泰安:山东农业大学,2021.2 候帅.草本植物根系复合土物理力学性能及浅层黄土边坡渗流稳定性研究D.西安:长安大学,2020.3 嵇晓雷,杨平.不同根系布置模式对降雨条件下边坡稳定性的影响J.东北林业大学学报,2020,48(7):86-89,97.4 胡炜,刘宇峰,秦卫星.考虑植被护坡的河道生态岸坡稳定性分析 J/OL.长江科学院院报:1-6.2021-11-04.http:/