河堤与塌岸岩土工程特性与稳定性分析研究

邹福建，张 楚，李洋洋，杨 宁

(1. 徐州市水利建筑设计研究院，江苏 徐州 221000；2. 江苏省水利勘测设计研究院有限公司徐州分公司，江苏 扬州 221000)

黄河故道的土堤问题是多方面的。毁灭性的洪水和季节性过多的降雨正在加速黄河故道土堤的破坏过程，每年都会增加对农业和基础设施造成巨大的破坏可能性。在过去的几十年里，黄河故道的土堤每年都面临侵蚀、决口等问题。河堤主要的损坏原因可以分解为人类活动、溢流、侵蚀、渗漏和地基滑动[1- 3]。此外，施工期间的监督不足导致土方工程质量差，使用了不合适的施工材料、土壤结块、土块粉碎不彻底、土壤压实不足、或表土层铺设不足、使用劣质材料、维护不足、河流迁移和公众砍伐[4- 7]。在诸多原因中，设计方法和施工程序不当是主要原因路堤破坏最重要的原因之一。土堤的稳定性受河流或水库附近水位升降过程中发生的渗流影响[8- 10]。然而，要解释特定问题的失效现象，必须对材料行为有清楚的了解。为了获得适当的理解，一些研究人员已经尝试描述潜在的大规模破坏问题(如滑坡或含有有机物)的土壤的岩土性质[11- 13]。在本项研究中，黄河故道的堤防破坏和河岸侵蚀问题已经从稳定性和岩土工程特性的因素方面进行了研究。简言之，本研究旨在调查黄河故道上段和黄河故道下段堤防材料的物理和机械性能，确定黄河故道河岸材料的岩土性质，并阐明徐州范围内的黄河故道的河岸破坏机制，评估现有设计，通过一个实例分析路堤稳定性的方法。

土壤样本取自黄河故道上段右岸堤防的破碎部分和黄河故道下段侵蚀河岸。实验室试验在上海海洋大学。试验包括粒度分析、颗粒密度、液限和塑限、压实特性、固结、渗透性、直剪试验和无侧限抗压强度试验。在试验结果的基础上，对土壤进行了分类。采用落差法测定了水的渗透系数渗透性，对不同含水率的试样进行了无侧限抗压强度试验。

1 材料和方法

基本物理性质参数见表1。试验结果表明，土壤的塑限和液限之间存在显著差异。路堤土的塑性极限是指非塑性(NP)，其中河岸土的塑性极限为27%。从粒径分布分析可知，路堤土的最大粒径为425μm，有效粒径为7.6μm，如图1所示。据此，采用工程分类法将土壤划分为细砂(SF)类。同样，河岸土被划分为低液限(ML)的粉土。

表1 土壤物理成分

图1 土壤粒径分布曲线图

根据击实试验结果，在最佳含水量(Wopt)为21.2%时，河堤土(ES)和河岸土(RS)的最大干密度分别为1.59g/cm3和1.72g/cm3，如图2所示。河堤土的渗透性和强度值随含水量的增加而变化，如图3所示。在含水量为24%时，渗透系数最小值为1.29×10-5cm/s，超过最佳含水量，接近液限(w=25.8%)。干侧单位含水率变化时，渗透系数的变化几乎比最小渗透系数大一个数量级。

图2 河堤土壤和河岸土壤的压实曲线

图3 河堤土壤透水性和强度随含水量变化图

2 结果与讨论

现实情况是，沙袋仅在洪水紧急情况下放置。但是，沙袋也在其他时间保护河岸坡面，防止雨水和径流冲刷细颗粒物，同样十分重要。在其他一些地方，预制混凝土块被代替沙袋。但是，预制混凝土块相对于沙袋非常昂贵，所以在某种程度上是使用范围有限的。沙子是最便宜且容易获得的材料。因此，沙袋的河岸、河堤应用可能是堤坝防护的一种切实可行的方法。除沙袋外，薄层水泥复合材料可作为护坡措施。但是，要找到一个有效的、可持续的边坡防护体系，还需要综合研究其对边坡稳定性的影响。含水量对河岸土岩土性质的影响如图4所示。当饱和度超过90%时，渗透率为3.5×10-7cm/s。通过直剪试验，得到了抗剪强度参数黏聚力(c)和内摩擦角(ø)分别为153kPa和22°。

图4 河岸土壤透水性和强度随含水量变化图

当含水量为12.8%时，最大抗压强度为280kPa，低于最佳含水量(16.45%)。但随着含水量的增加，强度迅速下降，在含水量为22%时达到150kPa左右。在峰值后，随着含水量增加10%，强度降低了46%。

图5 河岸裂缝

根据现场观测以及样本材料的试验结果，确定了研究区域黄河故道下段的塌岸机理。破坏与岸线后几厘米至几十厘米处的张力裂缝形成有关，如图5所示。也有报道称，在洪水退去期间，当河流流速似乎很高时，会发生严重的塌岸。这种类型的破坏可以描述为板状旋转破坏，它包括2种机制，例如具有拉伸裂纹的平面破坏和涉及具有相同几何形状的破坏块的倾倒。从岩土工程的角度来看，岸坡土的强度随着含水率的增加而迅速降低。同时，渗透性也变得非常低(<1×10-6cm/s)，最终增加了材料的重量并引发了堤坝的大规模破坏，如图6所示。

此外，在洪水结束时河水水位下降时，由于河岸材料的低渗透性，河岸地下水位下降的速度低于地表水位。这一现象造成了河岸水压力与坡面地表水围压的不平衡，也导致了岸坡的突然大规模破坏。在这种情况下，为了采取必要的措施保护研究区的河岸，很有必要找出临界岸坡和岸坡高度的极限值。河岸稳定性分析的极限平衡法可以遵循Darby和Thorne(1996)提出的方法。这是一种成熟的河岸稳定性分析方法，适用于沿平面破坏面发生破坏的陡峭、粘性、非层状河岸。在这种方法中，还包括孔隙水和静水围压，其中破坏面不受约束地穿过堤脚。

对徐州地区的黄河故道堤防进行了案例研究。根据通识，将路堤中的含水层自由表面视为假定的饱和线，该饱和线由土壤类型决定。本研究采用有限元法进行渗流分析，合理确定自由面。采用极限平衡法对边坡稳定性进行了分析，并与已有的计算值进行了比较。

渗流分析的水力模型[14- 15]是模拟非饱和流过程中使用最广泛的模型。因此，在本研究中，它被用来表示导水率和压头之间的关系：

(1)

式中，kh—任何压头下的渗透系数，m/s；ks—饱和渗透系数，m/s；h—土壤水头；n—曲线形状参数。

(2)

(3)

这些水力参数(ks，α和n)是通过使用数据库程序ROSETTA(Schaap et al.，2001)预测的，该程序使用土壤质地数据来预测参数值。黄河故道堤防土壤类型为砂质黏土，其水力参数ks，α和n分别为3.33×10-7m/s、2.7和1.23。利用这些水力参数绘制了土壤水分保持曲线，如图6所示。

图6 保水曲线

在有限元渗流分析中，各种单元的边界条件和水力性质相同。本次分析采用四边形单元和三角形单元对区域进行离散。用不同的元素种类和数量进行了4次试验，比较了自由表面位置的变化。前2个分析考虑了3个节点三角形单元，而另外2个则考虑了4个节点四边形单元。每个分析设置域的边界条件如图7所示。此外，还计算了不同离散区域的截面中部总流量，以便于比较。渗透分析总结见表2。

图7 有限元单元和边界条件

表2 有限元计算渗漏总结

在计算孔隙水压力分布时，不需要精确地确定渗透系数。因此，近似渗透率函数足以用于分析目的。通过中间部分的流量略有不同，见表2。结果表明，对于任何类型和任何数量的单元，水位自由面的位置几乎相同。图8为渗流分析结果。

图8 自由面和渗漏面位置

根据安全系数(FS)值检查黄河故道堤防的稳定性。在有限元渗流分析的基础上，对假定的饱和线(1∶5.45)和有限元渗流分析预测的自由面进行极限平衡边坡稳定性分析。土壤的饱和和非饱和单位重量分别为120 pcf(18.8kN·m-3)和115 pcf(18.1kN·m-3)。分别采用莫尔-库仑强度准则，抗剪强度参数c=100psf(4.78kPa)，摩擦角φ=18°。用随机生成圆形表面的技术，从100个试验表面中找出一个临界破坏面。

趾部各破坏面角度下限分别设为-5°和-45°(-ve为逆时针方向)。表3为极限平衡分析总结。

表3 边坡稳定分析结果

3 结语

结果表明，在假定饱和线的情况下，安全系数被高估了22%～24%。此外，假设的饱和线不满足二维均匀各向同性介质流动的Laplace方程。因此，渗流分析是解决堤防渗流问题的必要条件，也是确定堤防安全值和安全设计的可靠因素。路堤材料的岩土工程性质需要通过使用添加剂或加固材料(如水泥土、天然纤维或土工合成纤维等)来改善。还需要通过使用土工袋、水泥复合材料和钢筋等来保护边坡。还建议在边坡稳定性分析之前进行渗流分析，以获得设计稳定路堤时更可靠的安全系数。