河水上涨与极限法土条间作用力的关系研究

彭 坚

(深圳市合冠建设工程有限公司，广东 深圳 518101)

0 前 言

土质河岸边坡，由于修筑工序成熟，施工方法和技术较为完善，是许多地区进行河流岸坡设计的首选类型，尤其在取土相对容易，土方价格合理的地区。詹良通等通过对某底部铺设复合衬垫材料的卫生填埋场地进行降雨条件下的边坡失稳后反向分析，基于现场关键变形参数的监测数据，分析后，提出了针对该种基地材料，应采用的控制堆积体降雨条件下破坏发生的措施[1-2]。李永亮等对强度折减法的三种失稳判据在进行有限元边坡稳定性研究的适用性进行了探讨，其依托一实际公路工程边坡项目，采用PLAXIS有限元软件进行分析，得出各类边坡应采用的判据方案[3-4]。李满意等对区别于一般土质边坡和岩质边坡的类土质边坡进行了边坡稳定性研究，以重庆市洞堂湾类土质边坡的地质和结构条件分析为基，进而得出其破裂模式，后又通过平面滑动法的理论分析得出了相吻合的破裂模式分析结果[5-6]。李邵军等对由于三峡库区水位频繁升降变化的显著特点而造成的大量滑坡灾害进行了试验研究，建立与三峡典型滑坡相似的土质边坡试验离心模型，通过数字化监测和摄影手段记录滑坡发生发展过程及孔压、位移变化，得出其破坏模式[7-8]。林鸿州等基于降雨条件下土质边坡试验结果，提出以时雨量和累积雨量作为判别土质边坡将要发生何种类型的边坡失稳灾害的判据[9-10]。刘郴玲等采用数值分析方法，并将重力增加法应用于红石岩实例边坡工程，通过引入界面单元对边坡建模进行连续-离散计算分析，认为连续-离散方法对边坡进行失稳变形分析有助于失稳后的边坡土体运动变化结果的呈现和观察[11-12]。

以下对一河流岸坡进行数值模拟分析河流水位上涨时，边坡土体间相互作用力变化情况，采用Geo-studio软件进行实体建模分析，讨论河流水位上涨前后土体间正应力和横向应力变化规律，对比分析汛期8m河流水位条件下和常态5m河流水位条件下的土间作用力和土与危险滑动面间作用力，总结河流水位上涨时主要对土中内力产生什么影响。为我国华北平原地区河流岸坡的加固和失稳预防提供了借鉴。

1 工程地质

该河流岸坡属于南水北调工程接入市政管网的咽喉河流，关乎市计民生，如图1所示，该河流岸坡由两层压实土修筑，上层为黏土，下层为碎石土，相关物理力学参数如表1所示。该河流设计两种季节控制水位，汛期6-9月份采用控制8m河流水位，其它月份采用控制5m河流水位。

图1 土质岸坡剖面图

表1 各土层相关计算参数

2 Geo-studio的极限平衡法

极限平衡法用于边坡稳定性分析被反复验证，Geo-studio软件正是基于极限平衡方法对边坡稳定性进行分析，计算结果能够很好呈现出失稳土体内部土条之间的作用力，且能够进行水力学计算分析，将水位面波动效应耦合计算。

3 构建岸坡模型

采用绘制草图的方法绘制岸坡和水位线轮廓，之后通过设置区域将岸坡划分成两个区域土体，通过输入材料属性，设置两种不同的材料特征，之后赋予相应的土层区域，再通过设置相应的边界条件获得不同的河流水位边界，并对其它边界条件进行设置，设计好的河流岸坡模型如图2所示。

图2 河流边坡模型

4 模拟结果

以下通过对不同河流水位条件下的计算结果中土体内作用力的分析，得出河流水位上涨时，河岸边坡土体内作用力变化特点。

4.1 河流非汛期水位5m时

图3所示是河流非汛期水位5m时，边坡内土条10的内作用力，图中所示，主要有重量、基底正向作用力、基地切向作用力、条块左侧正向作用力、条块左侧侧向作用力、条块右侧正向作用力、条块右侧侧向作用力、基底抗剪应力，相关参数具体值见表2。

图3 非汛期水位5m时，条块10的作用力

图4所示是河流非汛期水位5m时，边坡内土条12的内作用力，图中所示，主要有重量60.363 kN/m3、基底正向作用力50.885 kN、基地切向作用力21.758 kN，由此可见，条块与基底间正向作用力远大于切向摩阻力，条块左侧正向作用力126.12kN、条块左侧侧向作用力60.742kN、条块右侧正向作用力131.1kN、条块右侧侧向作用力65.99kN，可见，条块与条块间正向作用力远大于切向摩阻力，基底抗剪应力40.239kPa，具体各相关参数的值见表2。

图4 非汛期水位5m时，条块12的作用力

表2 各土条内力值

续表2 各土条内力值

4.2 河流汛期水位8m时

图5所示是河流汛期水位8m时，边坡内土条10的内作用力，图中所示，主要有重量69.485kN·m-3、基底正向作用力60.602 kN、基地切向作用力18.936kN，由此可见，条块与基底间正向作用力远大于切向摩阻力，且相较于非汛期水位5m时的条块10的重量、基底正向作用力明显增大，基底切向作用力变化幅度较小，条块左侧正向作用力153.45kN、条块左侧侧向作用力47.085kN、条块右侧正向作用力167.78kN、条块右侧侧向作用力54.721kN，可见，条块与条块间正向作用力远大于切向摩阻力，且相较于非汛期水位5m时的条块10的左、右侧正向作用力明显增大，左、右侧切向作用力变化幅度较小，基底抗剪应力27.41kPa，明显小于非汛期水位5m时35.899kPa。

图5 汛期水位8m时，条块10的作用力

图6所示是河流汛期水位8m时，边坡内土条12的内作用力，图中所示，主要有重量71.373kN·(m3)-1、基底正向作用力63.666 kN、基地切向作用力18.362kN，由此可见，条块与基底间正向作用力远大于切向摩阻力，且相较于非汛期水位5m时的条块12的重量、基底正向作用力明显增大，基底切向作用力变化幅度较小，条块左侧正向作用力180.59kN、条块左侧侧向作用力61.725kN、条块右侧正向作用力191.64kN、条块右侧侧向作用力67.767kN，可见，条块与条块间正向作用力远大于切向摩阻力，且相较于非汛期水位5m时的条块12的左、右侧正向作用力明显增大，左、右侧切向作用力变化幅度较小，基底抗剪应力27.77kPa，明显小于非汛期水位5m时40.239kPa。

图6 汛期水位8m时，条块12的作用力

5 结 论

1)河流汛期水位升高时，条块重量及条块与基底间作用力相较于非汛期时的条块重量、基底正向作用力明显增大，而基底切向作用力变化幅度较小。

2)条块与条块间正向作用力在河流水位向上波动时，相较于非汛期水位5m时的条间正向作用力明显增大，而条块与条块间切向作用力变化幅度较小。

3)随着汛期到来，河流岸坡的基底抗剪应力会显著减小，建议加强河流水位监测。