含水率变化对黄河下游滩岸土体力学性质影响及稳定性分析

胡庆 王浩 郭剑波 吕芝莹 付德伟

关键词：滩岸；交互分层；OptumG2；含水率；稳定性；黄河下游滩岸

2019年9月，习近平总书记将黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略，并且提出实施河道和滩区综合提升治理工程。黄河下游河南、山东段滩区居民近190万人，生产生活基本依托于黄河滩区。然而黄河下游滩岸的连续崩塌压缩了滩区人民的生存空间，加大了汛期黄河悬岸大堤的破坏风险，因此有必要分析黄河下游滩岸结构特征、土体组成并研究土体力学特性对滩岸稳定性的影响。

滩岸的侵蚀与滩岸土体力学特性有相当大的关系，滩岸土体力学特性之一是抗剪强度，Xia等认为抗剪强度大小能够反映滩岸边坡的稳定性：Thorne提出边坡土体的抗剪强度是影响河岸稳定性的重要因素：盛维高等分析了含水量变化对高边坡稳定性的影响，发现采用土体非饱和强度得到的边坡稳定安全系数更接近边坡实际情况：黄琨等研究了含水率对粉砂土强度的影响：刘顺青等分析了坡高、泊松比、含水率等因素对高液限土边坡稳定性的影响，发现含水率对边坡稳定性影响最大：刘昭希研究了含水率变化对长江荆江段河岸黏土抗剪强度的影响：赵寿刚等对黄河下游滩岸黏土的抗剪强度与含水率的关系进行了分析。

前期的研究主要分析了含水率对滩岸土体力学特性的影响，但是缺少土体抗剪强度变化对黄河下游典型交互分层结构岸坡稳定性的分析。黄河下游滩岸结构具有典型分层性，其坍塌后退严重危及两岸堤防工程安全和滩区农业发展。因此，本文在室内试验基础上，分析了含水率变化对滩岸土体强度的影响，并研究了土体强度变化对滩岸组合边坡稳定性的影响。

1研究河段概况

黄河自发源地至渤海呈现出西高东低的三级阶梯，万滩镇至柳园口段就属于第三级阶梯。由于该段河道宽阔平坦，黄河流经后，从上游挟带的大量泥沙在河床内沉降淤积，河床逐渐抬升使得黄河下游形成了举世闻名的地上悬河。

下游河段按照河床的演变特点，可分为游荡段、过渡段和弯曲段，万滩镇至柳园口段属于典型的游荡段。花园口到东坝头段河岸土质疏松，横向边界约束较弱，两岸滩地之间的河宽由1960年的2563m展宽到1964年的3633m，增大了41.75%。赵业安等发现1960-1964年黄河下游共产生了23.02亿t泥沙，其中近35.0%的细泥沙来自下游滩地。

水流不断侵蚀滩岸会造成主槽摆动，对河流的稳定性产生影响，危及堤防工程的安全。1953-1987年黄河下游发生了957次险情，1949-1971年河南省境内的滩区耕地侵蚀量高达4.3万hm2，落河村庄123个。王永久等利用Landsat卫星影像对1987-2020年黄河花园口至柳园口段河流几何形态变化进行了研究，结果表明：花园口至柳园口段每年河道变化幅度和上一年相比高达75%．近20a来花园口至柳园口段河流的频繁摆动，导致32.08km2的越冬作物被毁，并且认为没有护滩工程凹岸附近的农田将会在未来遭受河流的强烈侵蚀。

2滩岸现场查勘及取样

万滩镇至柳园口段河道展宽现象非常明显，为了更清楚地了解万滩镇至柳园口段河岸土体结构，对沿岸土体特征进行了查勘并取样。根据近期万滩镇至柳园口段滩岸侵蚀情况，分别在万滩镇、黑岗口和柳园口选取一个取样点，并结合现场查勘情况将取样点选取在现有河岸断面崩塌比较明显的河岸上。受地区构造的内营力和黄河水流侵蚀的外营力共同作用，万滩镇至柳园口段黄河河床呈现出南低北高的形态，在水流作用下，该段黄河北岸产生明显的堆积、南岸河流则以侧蚀和下切为主，因此本次取样点均布置在南岸。

鉴于现场河岸崩塌的实际情况，取样点都选在水边崩塌比较明显的地方。由于现场崩塌河岸呈现出垂向分层结构，因此在取土样时采用分层取样的办法。其中：原状土样先在表面包裹一层塑料薄膜，然后放进塑料箱内；散状土放人密封性良好的塑料袋中，并根据现场崩塌河岸实际情况测量出取样土体高度。

3室内土工试验及滩岸土体分析

3.1室内土工试验

对采集的土样进行室内试验，包括含水率、密度、比重、三轴试验等。采集的土样按颜色分为棕色、黄色两种，通过液塑限试验进一步确定土的种类。滩岸土体的试验结果见表1，其中土的抗剪强度通过三轴压缩试验测得。由表1看出，万滩镇深25、73cm、黑岗口深30、55cm与柳园口深125cm处棕色土样的塑性指数均大于17，根据土的分类标准可以判定棕色土体为黏土。

黄色土体初步判断为砂土，还需要通过密度计法对土体颗粒情况进行分析，取萬滩镇深67、115cm，黑岗口深36cm和柳园口深91、137cm处土样进行试验得到的颗粒级配曲线如图1所示。

从图1看出，这5个土样粒径大于0.075mm的颗粒含量均不超过全重50%，粒径小于0.005mm的颗粒含量均不超过全重10%，且由液塑限试验得到的塑性指数也都小于10，根据土的分类标准判定该土为粉砂土。

3.2滩岸土体分析

由室内土工试验结果可知，从万滩镇至柳园口采取的土样按照试验标准分为黏土、粉砂土两类，发现该段滩岸由黏土和粉砂土交互分层构成，边坡呈现出垂直分层是不同河段冲淤环境具有一定的差异且黄河在不同时期来水来沙条件不同造成的。李洁等对黄河下游游荡段滩岸的崩退进行研究发现崩退后的岸坡几乎为垂直状态。

对万滩镇至柳园口段不同含水率的原状土试验数据进行分析，绘制的含水率与滩岸土体黏聚力、内摩擦角的关系曲线如图2所示。

由图2（a）、图2（b）可知万滩镇至柳园口段黏土的黏聚力存在一个临界含水率（约为18%），当含水率小于18%时，黏聚力随着含水率的提高而迅速增大：当含水率超过18%时，黏聚力随着含水率的提高而减小，而内摩擦角则随着含水率的提高逐渐减小。含水率从18%增大到40%，其黏聚力降低约80%、内摩擦角降低约87%，由此可见含水率对黏土土体强度有很大的影响。刘昭希对荆江河岸的黏土进行试验分析，发现黏土与含水率存在类似的关系。从图2（c）、图2（d）可以看出粉砂土抗剪强度指标也存在相似变化规律。

根据含水率与土体力学性能的关系曲线拟合出相应的定量关系式。

4对比分析

4.1软件介绍

极限分析有限元法结合了极限分析和有限元的优点并克服了两者的缺点，使得最近开发的有限元极限分析软件Optum G2被广泛地运用到岩土工程各个领域中。Optum G2采用严格的上限和下限计算方法，并且利用求得的上、下限解估计精确解和误差范围，关于Optum G2的原理和应用Sloan在他的文章中进行了详细介绍。本文使用Optum G2进行模拟，随着迭代次数的增加，单元数量由5000增加到10000，在高塑性剪切应变的区域单元数量会自动叠加。

4.2对比分析

为了验证Optum G2在边坡稳定性分析方面的准确性，本文选取与采用极限分析法计算的案例结果作对比。 Viratjandr用极限分析计算了水库在4种不同条件下的边坡稳定性，为了避免反复的迭代过程，其利用F/tan作为c／（y//tancp）（H为边坡高度）的函数绘制水库在4种不同条件下的边坡稳定性图表。本文选取Li =H、L2=0.2H条件下的边坡（见图3）用Optum G2进行分析，同时设置了c／（ylltan cP）分别等于0、0.20、0.40、0.60和0.80五种工况，最终计算出各种工况下的F/tan值（见表2）。

从表2中可以看出利用Optum G2在L2=0.2H条件下计算的结果与用极限分析计算的结果相比表现出良好的一致性，极限分析计算的结果均处于用OptumG2计算的上、下限值之间；还可以发现Viratjandr计算的结果与上限相比相差不超过1%，与下限相比相差最大为6.816%，因此完全可以采用Optum G2上限解分析边坡稳定性问题。

5数值分析

5.1建立边坡模型

经过实地查勘可以发现万滩镇至柳园口段的滩岸具有明显垂直分层结构，分层土体为黏土和粉砂土，分层厚最大值、最小值分别为22、2.5cm，同日寸发现下部被水浸泡滩岸和上部滩岸土体含水率有明显差别。按照滩岸的土体结构利用Optum G2建立的多层土滩岸崩塌概化模型如图4所示（滩岸模型为直角，H2为地表水深度，Hi为地下水深度），其中模型颜色较深的土体表示含水率较高、红色水平线为滩岸截面（用来分析截面处滩岸的剪力变化，每隔1m取1个截面，一共取5个），在研究过程中只考虑含水率和两种土体互换位置后的影响，不考虑滩岸高度、水流的冲刷等其他因素对滩岸稳定性的影响，滩岸高度H、水位高度始终分别等于5、3m（假设H2 =Hi）。

表3为模拟过程中用到的滩岸土体在7种含水率下的物理力学参数，其中根据式（1）～式（4）计算得到，平均干重度和重度由平均干密度和密度经过换算得到。干密度p，是试验求得对应土体的干密度均值，知道干密度后由下式反推出来对应含水率的密度值。

5.2土体含水率对滩岸稳定性的影响分析

图4为模拟含水率对滩岸稳定性影响的模型，在水位线以下的滩岸含水率比较高，水位线以上的土体含水率则比较低（10%），为了避免其他因素的影响，将模型的地表水深和地下水深设为定值（H2=H1=3m），模拟结果如图5所示。

从图5中能够发现：受黏土和粉砂土临界含水率的影响，岸坡在含水率较低时稳定系数随着含水率的提升会有所增大，但是稳定系数整体上趋于减小，并且滩岸的稳定系数变化与黏土黏聚力变化具有很好的一致性，原因是黏土力学性质受含水率影响产生的变化大于粉砂土的；黏土和粉砂土交换位置后，滩岸的稳定系数变化很小。

含水率分别等于15%、35%时滩岸的失效机制如图6所示。从图6（a）、图6（b）可以看出岸坡处于稳定状态时的剪切耗散图为弧形并且岸坡土体有向下倾斜运动的趋势[当含水率等于35%时从图5能够发现岸坡处于破坏的临界状态（稳定系数等于1.04）]；从图6（c）、图6（d）中可以看出此时岸坡的破坏分为两步，下部被浸泡土体因强度较低而先产生滑移，然后上部土体在重力作用下崩塌。

從图7看出，含水率为15%时，位于弧形区域内的截面剪力均为正值（见图7中位于弧形区域内），且最大正剪力位于破坏面附近。为了进一步研究剪力随含水率的变化，绘制了不同含水率下3m深处截面最大正剪力随着含水率变化曲线（见图8）。从图8能够发现当含水率从10%增大到30%时，随滩岸的自重增大、截面剪力也在缓慢增大；当含水率大于30%时截面剪力迅速增大，原因是此时滩岸破坏形式发生变化，岸坡下部被浸泡土体因强度较低而先产生滑移，然后上部土体在重力作用下崩塌。

6结论

本文在对万滩镇至柳园口段滩岸查勘、取样以及室内土工试验的基础上研究了滩岸结构特征、土体组成、含水率变化对土体强度的影响，并利用有限元分析软件Optum G2定量分析了由含水率引起的滩岸土体强度的变化对边坡稳定性的影响，主要结论如下：

1）历史上多期次的洪水作用使得河水中挟带的粉砂土与黏土交替沉积在河滩上，成为滩区人民赖以生存的土地资源。

2）滩岸交互分层边坡稳定性降低，且岸坡稳定系数随着含水率提高整体上趋于减小，这种变化与黏土黏聚力随着含水率的变化具有很好的一致性。

3）当含水率增大到一定程度日寸岸坡的破坏分为两步，下部被浸泡土体因强度较低而先产生滑移，上部土体在重力作用下崩塌：随着含水率的提高破坏区域的最大剪力先缓慢增大，然后急剧增大。