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河堤水力状态监测及其对边坡稳定性影响分析

2025-02-14 43 上传者：管理员

摘要：文章旨在研究河北省保定市漳河河岸堤坝内部水力状态对边坡稳定性的影响。通过对该堤坝进行为期9个月的监测，分析水分迁移过程，包括冬季冻融和积雪覆盖。结果显示，地下水在冬季向基础层下渗，孔隙水压力在冬季最低、夏季最高。通过模型分析解释了这些现象，为理解低温环境下堤坝水力状态提供了重要帮助。研究为评估堤坝的机械稳定性和理解环境因素对其影响提供了参考，对防洪防灾和堤坝维护具有重要指导意义。

关键词：
地下水
坡度稳定性
堤坝
孔隙水压力
渗透
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在进行堤坝稳定性评估时,通常需要考虑由强降雨､地震或其耦合作用引发的不稳定性因素[1-2]｡在分析这些影响前,了解堤坝在季节性天气变化等缓慢事件下的水力状态(即准平衡状态)是至关重要的[3-4]｡堤坝的准平衡状态受到气候条件､土壤表层特性及基层条件的显著影响｡基于有限的信息源,如土壤分层和天气数据[5],建立这些环境因素与堤坝长期响应之间的关系,有助于全面评估孔隙水压力,进而深入理解堤坝的机械稳定性｡现有研究关于斜坡质量传递问题主要集中在短期响应,如洪水对斜坡稳定性的影响,采用长期数值模型的岩土工程研究较少｡在国内的相关研究中,杨志兵等人在针对季节性水力条件的长期监测中,提出了一个融合蒸发传输效应的质量传递模型[6-7]｡即使未考虑蒸发作用,他们观察到的饱和面也得到了令人满意的重现｡然而,这种方法是否适用于较不渗水的堤坝,仍需进一步研究｡

本文分析了在河北省保定市漳河河岸的1座堤坝中水力状态的监测结果｡在这个地区,尽管冬季较为寒冷,但较少的雪量和频繁的冻融周期增加了研究的复杂性｡基于监测记录和一些假定的边界及材料条件进行的渗透分析,本研究讨论了堤坝的水力状态在短期及长期的响应｡

1、研究区概况

1.1地点和堤坝

本文以河北省保定市漳河河岸的1座堤坝为案例,分析其水力学和地质结构特性｡该堤坝位于保定市北部,距离市中心约20km,堤坝的横断面如图1所示｡地面条件相对均一,原始地面由1层厚度2~3m的冲积粘土表层和下面的较厚沉积砂层组成｡堤坝的高度为5.7m,两边坡度为1∶4｡堤坝是分多阶段建造的,2010年增加了1.4m,2011年增加了2.6m,2013年增加了1.7m｡由于粘土层较薄,堤坝在建设后受沉降影响较小｡堤坝表面覆盖着草皮,并生长着短植物如三叶草等｡项目区特点是降雪量相对较小,最大积雪不超过500mm,反而导致更大的冻土侵蚀｡

图1河堤和仪器的横截面

1.2土壤属性

堤坝使用的土壤是通过混合当地采购的冲积粘土和火山砂制备而成,来源于附近挖掘工地的剩余土壤｡这些粘土在高含水量(50%~70%)状态下较为松软,不适宜直接用作堤坝建筑材料｡将这2种土壤按大约1∶1的重量比混合后,可以使水分含量接近理想状态｡如图2所示,混合土壤含有较高比例的粘土,并且具有非常低的渗透性｡在实验室中对1个重新压实的样本进行的恒速压缩测试,结果表明,该土壤在饱和状态下的渗透系数k小于10-8m/s,当有效应力增加至超过100kPa时,渗透系数可降至10-9m/s,接近构成堤坝一半的冲积粘土的渗透系数｡土壤的物理性质见表1｡

图2堤坝土壤的级配和压实曲线

表1土壤的物理性质

1.3监测设备

监测始于2014年8月19日,并持续至今｡孔隙水压力由张力计测量;体积含水量和温度由安置在坡体中不同深度的传感器测量;地表以上的降雨量､相对湿度和空气温度也进行了测量;冬季的积雪厚度则是通过固定间隔放置的数码相机拍摄垂直尺度棒的图像来评估的｡相机镜头的结霜和雪暴可能引起的偶发位移导致了短期的数据缺失｡

在坡脚位置,安装了1个监测井以观测地下水位｡另1个位于坡脚对面约200m的监测井提供了历史记录｡这一地区的基岩层地下水位在过去至少5年内保持在-1.5~-2.0m之间,年波动范围为0.3~0.4m｡

2、监测记录

2.1孔隙水压力反应测得的孔隙水压力以时间序列的形式展示,如图3所示｡在整个监测期间(图3左),孔隙水压力的分布呈现出持续的底部排水趋势,更深位置的压力明显低于基于堤坝表面的静水线预期值｡这种分布每年都显示出周期性并且长期稳定,并没有表现出趋向于静水状态的迹象｡尽管需要在监测结束时核查更深层传感器的准确性,这种显著的底部排水现象可以通过地基层的层理结构来定性解释｡

原始的自然地下水位位于原始表面(即冲积粘土层顶部)下方1.5~2.0m处｡如图4所示,粘土层底部的孔隙水压力稳定在5~15kPa(0.5~1.5m水头)｡堤坝中的压力剖面取决于2个固定压力点(堤坝表面和冲积粘土底部)之间层的渗透性相对大小｡

图3观测到的孔隙水压力剖面;(左)每月初,(右)强降雨事件发生后的小时和天数

图4沿中坡垂直线的长期孔隙水压力的想象分布

孔隙水压力在0.45m深度上对降雨事件有敏锐的反应,在1m深度处急剧上升,更深的位置仅显示出长期波动(图3右)｡-1m深处的压力在1月初开始增加,-2~-3m深处随后也出现了上升,但是有延迟,时间与连续积雪覆盖开始相符｡这一事实,加上地面表面稳定的0.0℃温度记录,可能表明融化的水被连续供应到表面,因为地热通量融化了积雪基部｡在积雪覆盖下水供应的可能性需要在未来进行更详细的研究｡

2.2孔隙水压力变化分析

进行有限元分析是为了研究非稳态非饱和渗流模型是否能够再现在给定气候条件下堤坝的短期和长期响应｡分析的目的是探索堤坝可能的状态,并基于反推计算和表面过程研究,以获得对渗透建模的一般理解｡所建模的横截面如图5所示,采用了理想化材料分组｡经过多次试验分析,认为堤坝顶部0.5m层的属性与更深层区域不同,可解释观测结果｡在监测地点,最大冻土深度在某些年份达到0.5~0.8m｡

2.3孔隙水压力响应的模拟

通过一系列有代表性的案例模拟,我们得到了孔隙水压力的响应,运行的输入条件见表2,其结果的时间序列形式及剖面形式如图6—7所示｡将模拟结果与图3中观测到的数据进行比较后,发现在较浅的深度(0.5､1m)的响应被较好地再现了｡然而,在假设第三阶段和第四阶段积雪覆盖下有持续地表水供应的情况下,似乎导致了过度的水分供应,使得孔隙水压力在第三阶段开始时突然跳至静水压力的顶部｡这表明有必要进一步模拟研究地热通量逐渐融化积雪底部的可能方式｡

表2输入分析中采用的参数值

图5河堤的有限元建模

图6从中坡开始的垂直线上4个点的孔隙水压力模拟时间序列

图7与图3中相应时刻的孔隙水压力模拟剖面图

在更深的位置(2､3m),尽管在第三阶段之后的压力增加得到了定性的再现,模拟得到的响应显示出的年变化比现场观测到的要小得多｡参数运行显示,这些深度的孔隙水压力行为几乎完全受底部边界条件的控制｡通过在模型底部设定1个固定的压力,计算出的年压力变化极小｡将底部边界条件设定为与SP层中实际测量到的地下水位相对应,可以改善模拟效果｡然而,仅靠气候输入进行预测是不够的,必须通过建模分析影响SP层中孔隙水压力行为的更广泛过程｡

针对强降雨的模拟响应,与较浅位置的观测结果一致,这种一致性只有在表层假定较大的渗透系数k值时才成立｡表层的松动是合理的,其量化评估的效果还需进一步研究｡值得注意的是,对于更深层次的压实部分,考虑到实验室和现场渗透率测量之间的一般差异,k值为5×10-7m/s是可行的;此外,如果为整个堤坝统一分配1个较大的k值,则不会模拟出较深位置的延迟响应｡

3、结语

本文通过对河北省保定市漳河河岸堤坝的9个月监测,分析了水分迁移过程及其对边坡稳定性的影响｡研究发现,低渗透性的混合冲积粘土和火山砂组成的堤坝在季节变化中表现出显著的孔隙水压力波动,气候因素对堤坝水力状态和机械稳定性有重要影响｡尽管通过模型分析初步解释了这些现象,但仍存在一些不足,如监测时间相对较短､模型参数需进一步优化等｡此外,植被和土壤冻融循环等因素的影响在本研究中未得到充分考虑｡未来研究应延长监测周期,优化模型参数,并进一步验证研究结果｡通过这些改进,可以更准确地评估堤坝的稳定性,为更加科学的防洪防灾和堤坝维护提供参考｡

参考文献:

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[3]薛阳,吴益平,苗发盛,等.库水升降条件下考虑饱和渗透系数空间变异性的白水河滑坡渗流变形分析[J].岩土力学,2020,41(5):1709-1720.

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文章来源:张磊.河堤水力状态监测及其对边坡稳定性影响分析[J].水利技术监督,2025,(02):39-41+110.