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基于有限元灌区边坡破坏及加固分析

2023-11-09 13 上传者：管理员

摘要：由于部分灌区气候变化频繁，边坡坡度较大，导致一些灌区多处渠道边坡发生滑塌、失稳及损毁等现象，因此，做好灌区坡道防护工程，对于我国区域农业建设和发展至关重要。本文以研究区灌区边坡为例，主要探讨了不同降雨强度下边坡的破坏形式，通过有限元软件建立了2维边坡模型，结合渗流破坏本构模型研究了5种不同降雨强度下，边坡的孔隙水压力、安全系数和临界破坏面，最后分析了适用于该工况的边坡加固方式，研究成果可为相关工程提供参考。

关键词：
安全系数
有限元
灌区
边坡
降雨强度
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1、概述

灌区是我国农业工程建设中重要区域，是水利工程中关键建设项目之一。灌区运行的稳定与否直接关系着周边地区的正常供水、灌溉效益[1,2,3,4]。然而，部分灌区气候变化频繁，边坡坡度较大，导致一些灌区多处渠道边坡发生滑塌、失稳及损毁等现象，因此做好灌区坡道防护工程，对于我国区域农业建设和发展至关重要[5]。当前国内外学者主要采用室内试验和现场施工方法对灌区边坡进行研究分析。

罗龙等[6]以向家坝灌区工程南总干渠出口边坡为例，通过研究实地勘测资料，针对隧洞出口边坡贯通前后防护侧重点，研究了洞内向外的管棚施工贯通法；哈仙[7]对供水期进行边坡防护施工时所运用的土工模袋技术进行了研究，并运用到时实际工程中加以分析；代元锋[8]结合遵义灌区水泊渡泵站后边坡的处理现状，在既有的处理基础上进行了设计的优化探讨；田淼等[9]以漳河水库灌区为例，分析总结渠道混凝土衬砌施工工艺流程、操作要点、施工特点；钟一桢[10]以青年运河改造工程为例，采用水下模袋混凝土代替了钢板桩围堰干地施工的方案，并提出模袋混凝土的施工工艺；姚守俊[11]从黄山市丰乐灌区北干渠四切岭的地层及岩性特征以及地质构造特征等方面入手，分析边坡失稳的成因及特征，提出了不同地质条件下切岭工程失稳的防治措施。

本文所研究的灌区边坡，其破坏形式是典型的降雨诱发的坍塌破坏，因此主要探讨了不同降雨强度下边坡的破坏形式。首先通过有限元软件建立了2维边坡模型，结合渗流破坏本构模型研究了5种不同降雨强度下，边坡的孔隙水压力、安全系数和临界破坏面，最后分析了适用于该工况的边坡加固方式，研究成果可为相关工程提供参考。

2、工程概况

本次研究的灌区边坡位于广东省，灌区设计灌溉面积7.32万亩，经过长期水利工程建设及土壤改良，主要骨干灌排体系已基本形成，土壤质地优良，适宜农作物生长。由于灌区限于当时社会经济发展水平，原建设标准偏低，造成现状水利工程配套不完善，以小型边坡垮塌尤为突出。本次研究的灌区边坡主要组成部分为黏土矿物，包括蒙脱石、伊利石等，碎屑矿物主要有石英与长石，其次含有少量方解石。室内试验测得其密度为1.83 g/m3,干密度1.38 g/m3,含水率25%,塑限含水率24%,液限含水率46%。由于受雨水冲刷，边坡塌方较明显，山体长时间受雨水侵蚀，边坡应力分布发生较大变化，需要进行加固研究。

3、数值模型及荷载条件

本次建立的数值模型如图1所示。采用有限元法进行渗流分析，模型高度D=20 m, H=10 m, 平台x1长度为30 m, 坡底长度为90 m, 坡角为41°。模型土体为含水量为80%的非饱和均质粘土层，计算时土壤处于非饱和状态，需要输入体积含水量和渗透率函数的性质，形成吸力。对于降雨分析边界条件，除坡面和坡顶外其他边界均为零总通量，表示没有水流过边界，降雨强度分别为10 mm/h、30 mm/h、50 mm/h、100 mm/h、200 mm/h, 最长降雨时长为24 h。在整个分析过程中，地表孔隙水压力将保持为零，以避免在瞬态分析中降雨时出现任何积水。

图1 边坡模型尺寸

本次采用的数值方法的优势在于在渗透分析过程中结合了非饱和水力特性、复杂几何结构、初始和边界条件以及水文条件。分析时土体被离散成三角形节点单元，瞬态渗流的有限元公式是通过单元的空间离散化和应用加权残差的Galerkin原理而开发的，同时满足节点兼容性，确保了单元共享的每个节点具有相同的水头。对于边坡稳定性，采用强度折减法进行计算，该方法最早由zienkiewicz等人提出，后被广泛采用。其原理是将土体的2个摩尔库伦参数(粘聚力c和内摩擦角φ)同时除以一个系数Fr进行折减，分别得到折减后的c′ 和 φ′,然后，再将折减后的c′ 和 φ′ 代入有限元进行试算。当计算至边坡达到极限状态时，对应的Fr即为边坡的稳定安全系数。其计算式为：

cm=cFr (1)φm=tan−1(tanφ/Fr) (2)

式中：c和φ是材料所能够提供的最大黏聚力和内摩擦角；cm和φm是材料实际发挥的黏聚力和内摩擦角；Fr为折减系数。

4、数值结果分析

图2给出了降雨入渗24 h和48 h后，不同降雨强度下监测断面的孔隙水压力分布。由图可知，当降雨时长为24 h时，在10 mm/h的降雨强度下，边坡最大吸力为37 kpa, 为负压，而在所有其他降雨强度下，边坡具有明显的饱和特征，在整个边坡断面均存在正孔隙压力。而当降雨时长为48 h时，边坡断面孔隙水压力具有明显的静水压力特征，不同降雨强度下边坡孔隙水压力随边坡深度成线性相关。在10 mm/h降雨强度下，最大孔隙水压力为57 kPa, 而其他强度下观察到35 kPa的土壤吸力。

图2 24 h和48 h不同降雨强度下监测断面的孔隙水压力分布下载原图

图3给出了不同降雨强度下边坡安全系数随时间的变化。由图可知，总体上边坡安全系数随降雨时间的增大而降低，在降雨24 h达到最低，下降率取决于降雨强度的大小。当降雨强度为10 mm/h, 边坡的稳定性未发生较大变化，安全系数稳定在2.4左右；当降雨强度为30 mm/h, 边坡安全系数在24 h时降低至1.6,48 h增大至1.8;当降雨强度为50 mm/h, 边坡安全系数在24 h时降低至1.5,48 h增大至1.7;当降雨强度为50 mm/h、100 mm/h和150 mm/h时，边坡稳定性变化趋势相近，降雨24 h后的最小安全系数为1.45,随着降雨的停止，边坡迅速恢复了安全系数。降雨强度为50、100和200 mm/h时，边坡的最小安全系数相似， 50 mm/h为降雨阈值强度，超过该阈值对边坡的最小安全系数没有影响，因为已达到边坡最大渗透能力。降雨导致的斜坡稳定性降低可以归因于降雨强度的增加而导致的水位升高。根据计算结果，随着降雨强度的增加，水位逐渐升高，当降雨强度大于10 mm/h时，地下水位上升并接近斜坡表面，同时减小了土体的抗剪强度和基质吸力，从而使边坡更加容易产生下滑的趋势。

图4给出了降雨48 h后不同降雨强度下的边坡临界滑动面。24 h后降雨停止，导致水位下降，吸力增加，所有的滑动表面都有一个基本的破坏机制，即降雨强度低于10 mm/h时，边坡破坏面位于最深层。值得一提的是，降雨入渗24 h后边坡最深层破坏面仍然出现在10 mm/h的降雨强度中，据观察，降雨强度50 mm/、100 mm/h和200 mm/h对边坡破坏面的影响非常相似，即降雨强度超过50 mm/h对均质边坡的稳定性没有任何显著影响。

图3 安全系数随降雨强度的变化

图4 降雨48 h后不同降雨强度下的边坡临界滑动面

5、边坡加固分析

通过对现场边坡破坏形式和数值模拟结果得出，本次研究区域的边坡破坏主要是降雨引发的土壤渗透流失破坏，建议土工格栅加固更适合当前工程概况。在加固斜坡时，将轻度至中度硬度的土工合成织物水平嵌入斜坡一定距离，形成紧密分布的网格。该网络层可为边坡表面提供较好的稳定性，以保护其免受浅平面破坏的影响。土工织布加固边坡时首先在加固时去除不合格的材料和碎屑，根据施工图确定单个土坑标高，以阶梯方式挖掘或填充并压实合适的垫层材料至所需标高。然后，根据施工图放置钢筋，确定钢筋嵌入、标高和方向。确保土工合成材料加固没有皱纹和褶皱，并使用土钉拉动，禁止沿与坡面平行的方向拼接，在放置下一层钢筋、钢丝模板和填充物之前，确保填充物按照施工图所示进行压实。

6、结语

本文主要探讨了不同降雨强度下灌区边坡的破坏形式。首先通过有限元软件建立了2维边坡模型，结合渗流破坏本构模型研究了5种不同降雨强度下，边坡的孔隙水压力、安全系数和临界破坏面，最后分析了适用于该工况的边坡加固方式。研究成果表明，当降雨时长为24 h时，在10 mm/h的降雨强度下，边坡最大吸力为37 kpa, 为负压，而在所有其他降雨强度下，边坡具有明显的饱和特征，在整个边坡断面均存在正孔隙压力。而当降雨时长为48 h时，边坡断面孔隙水压力具有明显的静水压力特征，不同降雨强度下边坡孔隙水压力随边坡深度成线性相关。此外，总体上边坡安全系数随降雨时间的增大而降低，在降雨24 h达到最低，下降率取决于降雨强度的大小，50 mm/h为降雨阈值强度，超过该阈值对边坡的最小安全系数没有影响。

参考文献:

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[11]姚守俊.黄山市丰乐灌区切岭工程边坡失稳分析及预防措施[J].江淮水利科技.2011(03):14-15+29.