基于COMSOL的洛河治理工程中河道岸坡安全稳定性分析研究

杨淑惠

(洛阳水利勘测设计有限责任公司，河南 洛阳 471002)

随着工业化发展，部分河流常年排污，导致河道宽度变窄或淤泥增加，水质变差，因而河道治理在我国许多河流中逐渐开展规划[1-3]。河道治理不可避免会造成原有岸坡的开挖扰动，对岸坡稳定性是一定挑战，许多水利工程师认为岸坡稳定将很大程度提升河道治理效率，因而针对岸坡安全稳定性分析研究具有重要作用[4-6]。一些学者通过模型试验，探讨岸坡失稳临界状态，提出防止岸坡失稳的措施[7-9]；当然部分学者采用理论分析手段，结合现场岸坡监测数据，分析数据之间的内在联系，及时预警岸坡失稳[10-12]；数值分析作为高效率计算手段，在岸坡稳定性分析中，纳入工程实际资料，基于不同工况条件，获得岸坡安全稳定系数，为准确评价岸坡安全状态提供重要理论参考。

1 工程概况

洛河在河南流域面积超过12 000 km2，河道宽度维持在200～450 m，周边植被覆盖性较好，水土保持还较理想，但在洛宁区段由于垦荒过度导致岸坡上泥土冲入河流中，该区段内洛河含沙量急剧增大，根据断面监测表明，最大含沙量达75 kg/m3，雨水季节沙量监测值可达到630万t，泥沙粒径以0.17～0.35 mm为主。目前洛河流域内共建设有数量较多的中小型水库，其中以故县大型水库容量为最大，达11.75亿m3，水库防洪坝体达到120 m高，径流量超过13.00亿m3，承担着区域内防洪灌溉以及调控水位的重要作用，另还修建有小型水电站，装机容量6 kW。由于近几年工业不加节制发展，洛河河道常年淤积较严重，通航困难，甚至由于泥沙过多冲击小型水电站，导致需要停机维护，河流内水流暗涌较多，水生态系统破坏较严重，为此，洛河管理部门考虑对河道进行整治维护。设计部门在走访调研过程中发现，流域内部分河道岸坡已出现较严重渗漏以及坡身防护混凝土被冲蚀，岸坡稳定性受到极大挑战，为此针对河道治理过程中岸坡安全考虑，需分析岸坡的渗流与安全稳定性。

根据地质勘察资料得知，下游河道治理所遇到的岸坡岩土体大都以黏土以及砂土为主，黏土厚度分布较薄，最薄处仅为1.5 m，平均含水量为22.1%，渗透系数较低，室内土工试验表明大部分黏土渗透系数均在1.63×10-4cm/s以下；根据不同粒径分布，砂土在岸坡内分布有粉细砂与中粗砂，其中粉细砂地基承载力较高，厚度最大可达22 m，局部地区夹有粒径较小的卵石，卵石成分与河道内出露岩性基本一致，中粗砂土强度属各土体中最高，埋深达到基岩层。另在岸坡表面有人工堆筑层，以泥质砂土以及部分粒径为2～4 cm 的砾石组成，级配良好，部分区段处强度较低，因而岸坡顶部出现局部塌落等现象。

本文将借助有限元软件，多次迭代计算，研究岸坡安全稳定系数。

2 渗流稳定与岸坡稳定性计算分析

2.1 模型建立

以洛河洛宁区段某处岸坡为典型代表开展分析，根据地质剖面调查获得基本几何示意图，如图1所示。

图1 岸坡剖面几何示意图(单位：m)

利用COMSOL数值软件，创建岸坡数值模型，如图2(a)所示，各岩土体参数以前文所述工程地质资料作为计算基础，划分出三面体网格单元，共获得326 925个单元，节点数246 782个，其网格划分后模型如图2(b)所示。

渗流边界约束条件与水位有关，岸坡滑动约束条件与土体受力有关，水力与受力边界条件示意图如图3所示。

图2 数值模型图

图3 施加边界条件示意图

图4 岸坡内流场水压力分布云图(不同水位)

2.2 稳定渗流分析

2.2.1 不同水位

以三种工况分别为水位4 m、5 m、6 m开展河流水位对岸坡稳定渗流影响分析，所获得岸坡内流场水压力分布云图，如图4所示。从图中可看出，水压分布整体上从坡顶至坡底部逐渐增大，其中水位4 m时最大水压为148 kPa，水位5 m时最大水压相比增长了4.7%，达到155 kPa，而水位6 m时相比前者又增长了11.2%，达到168 kPa，即水压值随水位增大，逐渐增长。从水压分布及浸润线形式来看，所有浸润线均呈水平状态，与河道走向一致，另由于本文在计算时考虑岸坡内土体处于饱和状态，因而水位以上该部分土体水压力值应为0，随水位增大，该部分分布范围面积逐渐减小。

在获得不同水位水压分布基础上，计算出坡内等效有效应力分布，如图5所示。从图中可发现，等效应力在坡身内分布特征与水压分布具有一致性，均是从坡顶至坡底部，逐渐降低，最后集中在坡脚底部区域；而坡脚底部应力分布集中区域随水位增大，分布面积有所扩散，但经计算发现水位4 m时应力值为80 kPa，而水位5 m时降低了1个量级，仅为7 kPa，水位6 m与5 m时应力集中最大值基本一致，即随着水位增大，由于应力集中分布范围有所扩散，但应力集中值并未增大，对渗流运动威胁是逐渐减弱的。

图5 等效有效应力分布

2.2.2 不同降雨工况

不同降雨强度势必对坡体内渗流场影响性具有差异性，因而考虑以不同降雨强度作为外界荷载变量，分别设定常规降雨强度5 mm/d、20 mm/d 及强降雨强度150 mm/d、250 mm/d四个工况，并假定土体在降雨工况下均为非饱和状态，河道水位均统一设定为4 m。

图6为不同降雨强度下岸坡内水压分布云图，从图中可知，在常规降雨强度下，坡体内水压分布形态基本一致，最大水压亦基本接近，降雨强度5 mm/d、20 mm/d时最大水压分别为173 kPa、181 kPa，最大水压仍分布在坡脚底部；降雨强度增大，坡顶部表面土层水压力分布稍有所增大，但由于常规降雨强度增大还并未显著，因而仅在坡顶表面处呈现部分土体内入渗强度增大。当处于强降雨强度时，与常规降雨下的应力集中小范围分布不同，强降雨强度150 mm/d时坡底部水压力增大显著，呈条状分布，且贯穿坡底部直至河床边，当出现250 mm/d降雨强度时，此时坡表面水压力基本与河道水流表面水压一致，即边坡安全性处于失稳状态。

图6 岸坡内水压分布云图(不同降雨工况)

图7 流网分布云图(不同降雨工况)

图8 岸坡安全稳定系数时的位移(不同水位)

图7为岸坡内流网分布云图，从图中可发现，在常规降雨强度下，岸坡表面流网线间隔还处于较均匀状态，常规降雨强度5 mm/d、20 mm/d下的流网分布基本一致，即入渗在岸坡内部还处于较为稳定，且坡体内部流线均具有一定分布均匀特性，流速较小，常规降雨强度下最大流速仅为5.8 cm/s。强降雨强度时坡顶表面基本处于流线集中，逐渐往坡体内部发展，即坡顶表面入渗性较大，流速亦较大，最大流速是常规降雨强度下的6倍，达到30.8 cm/s，此亦于水压分布有所类似，岸坡渗流处于失稳状态。

2.3 岸坡稳定性分析

2.3.1 不同水位

从不同水位下岸坡安全稳定系数计算来看(图8)，随着河道水位增大，安全稳定系数降低，水位4 m时安全稳定系数为1.686，当水位增大至6 m 时，安全稳定系数降低了27.3%，达到1.216，即水位增大，边坡愈危险。分析表明，在河道水位增大时，坡体内土体有效应力逐渐降低，抵抗边坡倾覆力得到减小，坡体发生滑动性增大。从图8中各安全稳定系数下的位移来看，发生较大位移变化的为坡脚底部区域，在水位4 m时位移量为0.33 m，当水位增大至6 m时，坡脚位移量显著增长，达到0.58 m，即水位增大，促进位移增长。分析表明，当河道水位增大时，坡体较多区域均处于水位以下，此时水流运动对土体冲蚀及裹挟岩土体的能力均得到增长，坡体完整性受到挑战，故岸坡愈发倾向于危险，但从整体来看，三个水位下安全稳定系数均超过1，即均是处于安全状态。

图9为不同水位时岸坡内滑动体分布，从图中可发现，三个水位工况下的滑动体均分布在坡体内部，且随着水位增大，滑动体倾向于外侧坡面，即水位增大，导致滑动体发生移动，倾向于易于滑动区域。

2.3.2 不同降雨工况

图10为降雨工况下安全稳定系数时的岸坡位移云图，从图中可看出，最大稳定系数为降雨强度5 mm/d时，达到1.52，岸坡内处于较为安全状态，最大位移集中在滑动面处，达到0.23 m，常规降雨强度为20 mm/d时，安全稳定系数稍有所降低，为1.35，滑动面内位移分布与5 mm/d下并未发生较大变化，但滑动面附近坡体内位移值有所增大，从5 mm/d下的0.05 m增大至0.15 m，即降雨造成滑动体带动周围土体位移值增大。从4个降雨强度工况下安全稳定系数变化曲线可看出(图11)，强降雨强度下岸坡稳定系数逼近于1，危险性大大增加，应而考虑地区河道治理过程中所遇雨季，因对岸坡进行防渗加固，增强岸坡稳定性。

图9 岸坡滑动体分布图(不同水位)

图10 岸坡安全稳定系数时的位移(不同降雨工况)

图11 安全稳定系数变化曲线

3 结 论

针对洛河治理工程中的河道岸坡，利用COMSOL有限元软件，引入渗流分析与强度折减法稳定系数计算理论，研究了不同工况下岸坡渗流与安全稳定性，获得了以下几点结论与认识。

(1)研究了不同河道水位下岸坡内渗流特性，水压分布从坡顶至坡底部逐渐增大，水位6 m的最大水压相比于4 m时增大了11.2%，达到168 kPa，浸润线均呈水平状态，与河道走向一致；等效有效应力集中在坡脚底部，随水位增大，分布面积扩散，但量值降低。

(2)研究了降雨工况下常规降雨强度时坡体水压分布基本一致，降雨强度5 mm/d、20 mm/d时最大水压分别为173 kPa、181 kPa，坡体流网分布呈均匀特性，流速较小；强降雨强度时坡脚底部水压力增大显著，呈条状分布，最大流速是常规降雨强度下的6倍，达到30.8 cm/s。

(3)获得了不同水位下岸坡安全稳定系数与河道水位呈反比关系，但坡脚处位移量与河道水位呈正相关，水位6 m相比水位4 m时降低了27.3%，仅为1.216，而水位6 m时坡脚位移量相比水位4 m增长了75.8%，达到0.58 m；水位增大，滑动体愈倾向于外侧坡面。

(4)获得了降雨工况下最大安全稳定系数为降雨强度5 mm/d时，达到1.52，降雨强度增大，会降低岸坡安全稳定系数，强降雨强度下岸坡稳定系数逼近于1；滑动面附近坡体内位移值随降雨强度增大而变大，从降雨强度5 mm/d下的 0.05 m 增大至20 mm/d的0.15 m。