河流冲刷作用下高边坡的稳定性研究

李会杰

摘 要：堤防在季节性或周期性发挥作用的过程中造成堤防冲刷现象十分普遍和严重。本文将堤防假定为各向同性的均质弹性体，基于流体力学理论构建了河流冲刷作用下的堤防渗流场模型，运用三维有限元研究了河流冲刷堤防边坡的三维问题，并分析了渗流和冲刷共同作用下堤防边坡的失稳过程。结果表明：堤防边坡的坡脚首先出现塑性，随着冲刷作用的持续进行，塑性继续向边坡上部发展，并最终发展到坡顶，塑性区域贯通后，引起边坡的失稳，形成滑坡。

关键词：理论分析;有限元技术;冲刷力;渗透力;自重应力耦合力系

中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）25-0081-03

Abstract： Dike erosion is very common and serious in the process of seasonal or periodic function. In this paper， the dike was assumed to be an isotropic homogeneous elastic body. Based on the theory of fluid mechanics， the seepage field model of embankment under river erosion was constructed. The three-dimensional finite element method was used to study the three-dimensional problem of embankment slope scoured by river， and the instability process of embankment slope under the joint action of seepage and scouring was analyzed. The results show that： the slope toe of embankment slope first appears plasticity， with the continuous erosion， the plasticity continues to develop to the upper part of the slope， and finally develops to the top of the slope. After the plastic area passes through， it causes the slope instability and forms landslide.

Keywords： theoretical analysis;finite element technology;scouring force;permeability;gravity and stress coupling force system

人工提防是約束河势、防御洪水的重要屏障，其稳定性取决于两个方面的因素：一是堤防材料特性、堤防结构、堤防的剖面形状、平面形状和走向;二是与河流冲刷、河势变化等外在条件有关[1-3]。其中，近岸水流对堤脚和堤岸的冲刷现象在我国25万km的各类堤防上十分普遍，由冲刷导致的堤防稳定方面的问题也时有发生，特别是一些填土质量不高的堤防。另外，水流冲刷作用造成的河床下切及深槽迫堤情况也对堤防的稳定构成极大的威胁。鉴于工程失稳的严重后果，河流冲刷作用下的堤防稳定性问题一直受到政府和相关技术部门的高度重视。

本文基于弹性力学理论构建了河流冲刷作用下的堤防应力场模型，考虑流体-土体的应力、位移特点，构建了河流冲刷作用下的堤防渗流场与应力场耦合模型，并进行了三维数值分析。

1 河流冲刷作用下堤防应力和渗流模型

根据虚功原理，均质堤防土体中体系外力的虚功与内力的虚功等于零，即变形体内的应力在虚应变上所做的功与体积力和面积力在虚位移上所做之功相等，即

3 结论

将堤防假定为各向同性的均质弹性体，基于流体力学理论构建了河流冲刷作用下的堤防渗流场模型，运用三维有限元研究了河流冲刷堤防边坡的三维问题，主要结论如下。

①运用ABAQUS非线性动力有限元软件计算了堤防边坡（未防护、砌石护面）的稳定系数，砌石护面的边坡稳定系数超过1.4，能有效地提高边坡的安全性。

②分析了渗流和冲刷共同作用下堤防边坡的失稳过程，堤防边坡的坡脚首先出现塑性，随着冲刷作用的持续进行，塑性继续向边坡上部发展，并最终发展到坡顶，塑性区域贯通后，引起边坡的失稳，形成滑坡。因此，堤防边坡的坡脚加固和坡面防护是保证边坡安全的重要措施。

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