河道坡岸稳定影响因素的敏感性研究

(余干县水利电力勘察设计院，江西 余干 335100)

科学研究及工程设计

河道坡岸稳定影响因素的敏感性研究

李明峰

(余干县水利电力勘察设计院，江西 余干 335100)

本文通过数理模型分析，对河道坡岸稳定影响因素的敏感性开展研究，旨在为同类水利工程设计和施工应用提供技术参考。

河道坡岸；稳定因素；敏感性；研究

河道坡岸土体剪切应力的水工载荷状态，事关河道坡岸的稳定性和安全性，是构建牢固河道坡岸的技术保证之一。本文通过数理模型分析，对河道坡岸稳定影响因素的敏感性开展研究，旨在为同类水利工程设计和施工应用提供技术参考。

1 河道坡岸水工概化模型与相关假定述要

1.1 原状河道坡岸的稳定性分析模型

参照图1模型可计算出边坡崩塌破坏面积和崩塌体的有效重量，具体如下：A表示崩塌破坏面积，同时以渗透线为分割线将崩塌破坏面积分为上、下两部分，用Au表示上部面积，用Ad表示下部面积，则A=Au+Ad。另外，通过研究分析图形中各单位量之间的关系可计算出崩塌体的有效重量，公式为Wt=γAu+γsatAd。

图1 原状河道坡岸稳定分析示意图

1.2 河道坡岸的几何要素

初始高度、张裂缝深度、临河水位、地下水位，分别用H0、H′、Hw、Hd表示。第一、第二阶边坡坡脚分别用θ1、θ0表示，H1表示第一阶边坡坡高。张裂缝与坡顶边缘之间的水平间隔、边坡失稳倾角、岸坡土体黏聚力、崩坍破坏面的长度分别用b、β、c、l表示，φ、α分别表示土体的内摩擦角、渗透水压力与水平方向的夹角。被水流冲刷之后的边坡是复杂多变的，其具体状况见图2，同时，通过仔细分析水动力学模型中各几何关系式可知ΔB、Δz分别表示横向冲刷宽度和床面冲刷宽度。

1.3 河道坡岸计算假定

黏性沙或黏性土是河岸物质的主要构成部分，同时，在垂直方向上的分布是非常均匀且有规律的，一般利用泥沙的物理特性对其研究分析。若河岸主要是由黏性土质所组成，则因其土质的特殊性，一般坡度相对陡峭，破坏过程中土体通常处于极限平衡状态，平面滑动破坏为主要的破坏形式。在本文中，只研究平面滑动，同时除了通过坡脚和坡趾产生的破坏面之外，其余破坏形式也不予研究。

1.4 水流冲刷作用下河道坡岸稳定分析模型

受到水流冲刷过后的河道坡岸模型见图2，通过分析图中的各关系量可以计算出崩塌体的面积，具体公式如下：

(H0-H1-ΔBtanθ0)2tanθ0

-(H0-H1-ΔBtanθ0)H1tanθ0

图2 水流冲刷作用下河道坡岸稳定分析示意图

1.5 河道坡岸的作用荷载

当洪水退去后，河岸外侧因洪水而遭受的水压力逐步减小，而河岸内部则会因黏性土体的低渗透性而产生一种新压力，即外渗透压力。洪水在水位降低的过程中，岸坡土体内部孔隙水压力一直处于浮动状态，同时河岸另一侧为河水，也存在一定的静水压力，它们都会对河岸造成一定压力。岸坡内孔隙水压力见图3。

图3 作用在崩塌破坏面上的孔隙水压力

由下式可以算出崩塌面上任意一点的孔隙水压力：

Uw=ρwg(hw+ξ)

式中g——重力加速度；

ρw——水的密度；

ξ——地面水头；

hw——地下水头；

Uw——崩塌面上任意一点的孔隙水压力。

总孔隙水压力为崩塌面上各点压力之和，可由下式计算：

若计算其它土质的河道水位，可以根据ξ、hw之间的关系量再结合具体的崩塌块形状求出Uw的值。其中，渗透水压力可由下式计算：

Pd=γwJAd

式中Ad——崩塌体渗透面以下的面积；

L——渗径长度。

2 河道坡岸稳定性分析模型

2.1 河道坡岸的计算模型

图4所示为河道坡岸的概化横剖面。

图4 河道坡岸计算模型

利用刚体极限平衡法对岸坡的稳定性进行分析，影响边坡稳定性的最主要因素是超孔隙水压力以及渗透压力，因此在土体内摩擦角φ、岸坡内地下水位Hd、土体黏聚力c这三个参数的选择过程中要综合多方面因素考虑，从而更好地进行敏感性分析。

2.2 河道坡岸的概化

以下是概化边坡的主要几何要素：岸坡角α、临河水位高度Hw、土体天然重度γ、饱和容重γsat分别为60°、3m 、 19.2kN/m3、 19.7kN/m3，同时H0为6m。用A表示整个滑体的表面积，渗透面以上、以下的滑体面积分别为Au、Ad，L为缓坡面长度，则根据图4中的关系量和几何关系可得

其中

3 河道坡岸的概化及算例分析

3.1 地下水位对河道坡岸稳定性的影响

选取工况如下：Hw=5.0～5.5m；Hd=6.0m和6.2m。概化的几何参数见表1。

表1 地下水位对河道坡岸稳定性影响分析所依据的河道坡岸概化参数

图5所示为地下水位分别处于6m、6.2m情况下，边坡稳定安全系数与临河水位之间的关系。通过仔细观察图5可知，若保持地下水位固定不变，则临河水位与边坡稳定安全系数之间成正比例关系。与此同时，河岸稳定性会随着地下水位的升高而变强。

图5 临河水位和地下水位对河道坡岸稳定性的影响

3.2 临河和地下的水位差对河道坡岸稳定性的影响

稳定性影响分析所依据的原状河道坡岸概化模型如图1所示。稳定性影响分析所依据的河道坡岸概化参数见表2。

表2 稳定性影响分析所依据的河道坡岸概化参数

稳定性影响分析概化工况参数见表3。

表3 稳定性影响分析概化工况参数

由图6和图7可知，这两种情况下的河道坡岸稳定性都与地下水位、临河水位有着直接的关联，一旦水位发生变化，都会对边坡的稳定性产生影响。其中，临河水位与地下水位相比其水位下降速度要快，这主要是因为河岸土质的特殊性，即黏性土具备持水性好的特点。从图中可以看出，在水位下降前期，安全系数大幅度降低，表明此阶段河岸极易发生崩塌，而当水位下降到一定程度时，安全系数基本处于稳定状态，则表明高水位可以确保边坡的稳定性。

图6 原状河岸临河和地下水位差对河道坡岸稳定性的影响

图7 临河和地下水位差对河道坡岸稳定性的影响

3.3 岸淘蚀和床面冲刷对河岸稳定性的影响

图8 水流冲刷作用对河道坡岸稳定的影响

图8所示为水流冲刷作用下的河道坡岸。其中，概化的几何参数为：H0=7m，H1=3m，b=4m，θ0=45°，θ1=60°，β=30°，γ=18kN/m3，γw=10kN/m3，γsat=20kN/m3，c=10kPa，φ=25°。ΔB、Δz分别表示横向冲刷宽度和床面冲刷深度。选取的工况如下：Δz=0.25m，ΔB=0.30m；Δz=0.30m，ΔB=0.50m。

仔细观察图8可知，当临河水位、地下水位两者相等时，河岸的崩塌速度会由于纵向冲深、横向冲刷的作用而加快。若河床受到水流的猛烈冲刷，则边坡的稳定性会快速下降，发生崩岸的概率急剧上升。

通过分析上述几种情况对河道坡岸稳定性的影响，可以总结出一些经验，在预防河岸崩塌时，可采取提高边坡坡趾抗冲刷能力的措施，同时，在坡体内部建设排水系统，使坡体的地下水能够快速排出。除此之外，为了增强岸坡的稳定性，应加强下游河岸的抗冲刷能力或者减少对下游河岸的冲刷作用，从而杜绝下游水位快速下降，使渗透水压力降低，进而防止失稳现象的发生。

4 影响因素的敏感性分析

4.1 针对单因素的敏感性分析公式

利用单因素敏感性计算公式可以分析出c、φ、Hd对边坡稳定性的影响，公式如下：

式中βji——第j个指标对第i个不确定因素的敏感度系数，用绝对值表示，敏感性会随着数值的变大而变高；

ΔYj——参数Yj的相对变化率；

ΔXi——各考核指标的相对变化率。

4.2 关于影响因素的变化

由于水的长时间浸泡，土体黏聚力c从原本的25kPa下降到18kPa，且内摩擦角、坡内地下水位也逐步减小，前者下降到12.1°左右，后者从5m下降到4m。根据上述的关系数值，随机组合成不同的工况类型来计算安全系数，其具体的计算方式为：首先选定一个岸坡作为基准条件，算出其稳定性安全系数，最后依次改变基准条件下影响岸坡稳定性的因素且其它条件不变，依次得出不同的安全系数，具体结果见表4。

表4 各主要影响因素变化的河岸稳定安全系数

4.3 诸因素对安全系数的敏感度系数计算

下面将k作为指标值，考核指标分别为Hd、c、φ，然后算出与之对应的敏感度系数，见表5～表7。

表5 安全系数k对Hd的敏感性分析

表6 安全系数k对c的敏感性分析

表7 安全系数k对φ的敏感性分析

仔细分析表5～表7可知：黏聚力c是三个影响因素中对边坡稳定性影响程度最大的参数，当黏聚力c的数值从25kPa逐降下降到18kPa的过程中，敏感性系数与地下水位成正比关系，与内摩擦角成反比关系。土体内摩擦角φ是对岸坡稳定性影响最小的参数，当黏聚力减小时，对岸坡敏感性影响变强，而地下水位的变化对其敏感性的影响不是特别显著。地下水位Hd对岸坡稳定性的影响程度处于上述两个参数之间，当土体的黏聚力逐渐增大时，岸坡稳定性对其敏感性的影响也变得越来越大，同时其也会随着摩擦角的增大而变大。

5 结 论

本文对水位降落后河道坡岸崩塌破坏的机理及影响因素进行了分析，并梳理了其中的重点概念。同时结合具体的边坡稳定性模型进行计算，得出内摩擦角φ、土体黏聚力c、地下水位高度Hd等参数对岸坡稳定性的影响程度，结论如下：

a. 由于岸坡土体的特殊性，地下水位的变化是引发河岸崩塌的重要原因，在分析边坡稳定性时，应把土体特性、静水压力、渗透水压力等作为重点研究参数。

b. 土体内摩擦角φ是对岸坡稳定性影响最小的参数，当黏聚力减小时，其对岸坡敏感性影响会变强，而地下水位的变化对其敏感性的影响不是特别显著。

c. 黏聚力c是对边坡稳定性影响程度最大的参数，地下水位降低，敏感性系数变小，内摩擦角变小，敏感性影响系数变大。

d. 地下水位Hd对岸坡稳定性的影响程度处于上述两个参数之间，当土体的黏聚力逐渐增大时，岸坡稳定性对其敏感性的影响也变得越来越大，同时，其也会随着摩擦角的增大而变大。

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StudyonSensitivityofFactorsAffectingofRiverBankSlopeStability

LI Mingfeng

(YuganCountyWaterConservancyPowerSurveyandDesignInstitute,Yugan335100,China)

In the paper, the sensitivity of the stability factors affecting of river bank slope is studied through mathematical model analysis, thereby providing technical reference for design and construction application in similar water conservancy projects.

river bank slope; stability factors; sensitivity; study

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.011.008

TV85

A

1673-8241(2017)011-0029-05