江河水位升降对堤岸边坡稳定性的影响

第36卷第3期

2000年6月兰州大学学报(自然科学版) Jour nal of Lanzhou U niver sity(Natural Sciences) Vol. 36No. 3June 2000　　文章编号:0455-2059(2000) 03-0056-05

江河水位升降对堤岸边坡稳定性的影响

马崇武, 刘忠玉11, 2, 苗天德, 王得楷13

(1. 兰州大学力学系, 甘肃兰州730000; 2. 郑州工业大学土建系, 河南郑州450002;

3. 甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所, 甘肃兰州730000)

摘要:针对洪水期江河堤岸溃堤、溃坝问题, 研究了水位变化对堤岸边坡稳定性的影响. 考虑堤岸体的透水性和地下水浸润造成堤岸体软化等因素的影响, 通过数值计算, 初步论证了因堤岸体中潜水位变化的滞后引起的快速退水的危害性质. 同时发现不管是退水还是涨水, 都存在一个使堤岸边坡的稳定系数最小的水位值. 这一结论对堤岸边坡的设计和防护具有指导意义.

关键词:江河水位升降; 潜水位; 堤岸稳定性

中图分类号:P 642. 22　　　文献标识码:A

堤岸边坡的稳定性分析是工程界普遍关心的问题之一. 因为堤岸一旦失稳造成溃决, 将给两岸人民的生命财产安全造成严重威协, 以致每年汛期, 我国在江河两岸都要投入大量人力和物力来确保堤岸安全渡汛. 1998年长江、松花江、嫩江流域的特大洪水造成多处堤岸破坏的事实表明:江河水位的升降是诱发堤岸溃堤的一个重要因素. 因此研究江河水位变化对堤岸边坡稳定性的影响非常必要.

1　堤防工程概述

堤防是抗御洪水的主要设施, 堤防工程多为防御季节性洪水, 它受大自然和人类活动的影响. 我国1992年堤防已达二十多万公里[1]. 按其修筑的位置不同, 分为河堤、江堤、湖堤、海堤以及水库、蓄滞洪区低洼地区的围堤等. 造成堤岸坍塌的原因有水流冲刷、水位骤降以及堤岸岩土体长期经气候和风雨的剥蚀、冻融等等. 由于在高水位时, 堤岸浸泡饱和, 岩土体含水重量增大, 抗剪强度减低, 以致当水位骤降土体失去了外水的顶托力时, 高水位时渗入岩土体内的水又反向江河内渗出, 促使堤岸滑脱坍塌[1]. 因此在大洪水、洪峰过后的落水期, 堤岸容易出现坍塌是堤岸坍塌抢护工作中不可忽视的事实.

目前关于水位变化对堤岸边坡稳定性的影响研究, 大多是定性的描述. 本文试图从定量的角度, 初步论证因堤岸体中潜水位变化的滞后引起的快速退水的危害性质.

2　水与堤岸岩土体的相互作用

震发生的情况下, 水是诱发堤岸溃决的最关键因素. 水与堤岸岩土体的相互作用可概括如下:

收稿日期:1999-03-31.

作者简介:马崇武(1965-) , 男, 副教授, 博士. 诱发堤岸溃堤的因素较多, 如江河水位的升降、地震、人类活动及虫兽危害等等. 在没有地

第3期　　　　　　　　　马崇武等:江河水位升降对堤岸边坡稳定性的影响　　　　　　　　　　57

(1) 水位变化直接影响堤岸体中的潜水位变化;

(2) 水的渗流导致岩土体自重和应力的改变;

(3) 渗流对土颗粒产生动水力;

(4) 长期浸水将降低堤岸岩土体的抗剪强度;

(5) 水对堤岸边坡坡脚的侵蚀;

(6) 波浪的冲击等.

由此可见, 江河水位升降变化下堤岸边坡的稳定性问题应该是考虑水的渗流作用的动力学问题, 由于目前对水的运动规律、水土的作用规律还不能准确地进行定量描述, 这一问题还没有得到很好的解决. 作为对这一问题的初步探讨, 本文暂将渗流等作用因素对堤岸稳定性的影响作为准静态问题.

3　潜水位的变化规律

江河堤岸一般是均质岩土体, 为使问题简单化, 假定:(1) 含水层为均质各向同性, 侧向无限延伸, 隔水底板水平; (2) 潜水无竖向补给与消耗; (3) 江河水位随时间上升的高度与含水为一维; (6) 江河堤岸无限宽. 据此可建立江河水位等速升降时潜水位变化的数学模型[2]

2a 2=, 　00, 5x 5t

s (x , 0) =0, 　0

s (0, t ) =vt , 　t >0,

s (∞, t ) =0, 　t >0.

的时间, x 是计算点到河边的水平距离, a 是反映岩土体透水性的压力传导系数. 上式的解为

s (x , t ) =vtM (x , t ) ,

其中M (x , t ) =4i 2erf c (u ) ,

u =x /(2

i er f c (u ) =2层相比较小; (4) 初始时潜水位水平, 并与江河水位相等; (5) 江河直线延伸, 其两侧渗流可视(1) (2) 式中:s 是潜水位变化值(自初始水位算起) , v 是江河水位变化速度, t 是从水位开始变化算起(3)

(4) (5) e -y 2at ) , +∞

u +∞u P ∫∫u +∞d y d u d u . (6)

当江河水位呈折线变化时, 利用叠加原理有

m

s (x , t ) =∑(v

i =1i -v i -1) (t i -t i -1) M (x , t -t i ). (4)

式中:v i 即为在时间段[t i -1, t i ]内的江河水位变化速度.

4　参数的确定

潜水面以下应采用饱和重度, 以上应采用天然重度. 将潜水面视为水气交界面, 不考虑毛细现象, 这样潜水面以下的岩土体可视为饱和, 于是

岩土体被水浸湿饱和后, 假定抗剪强度参数指标立即减小, 即

c s =c õA c , 　U s =U õA U .

假定原来的饱和土体一旦疏干, 抗剪强度指标立即得到部分恢复, 即

c h =c õB c , 　U h =U õB U .

式中:B c , B U 称为恢复系数(0≤B c ≤1, 0≤B U ≤1) . 系数A c , A U 和B c , B U 由实验确定. 讨论对象, 则沿着滑动面所加的浸透水压可用下式估计, 即

P =pV .

度. 本文暂不考虑有压或承压地下水(pressur e groundwater) 的情形. [3](8) 式中:c , U 为浸水前岩土体的抗剪强度指标, A c , A U 称为折减系数(0≤A c ≤1, 0≤A U ≤1) ; 同样(9) 若堤岸体中的地下水为自由地下水(unconfined groundwater ) , 并取单位长度的堤岸体为(10) 式中:p =C w ×动水斜率=C w sin A , V 为浸泡在水里的体积, A 为滑动面的倾角, C w 为水的重

5　算例与分析

本文采用传统的边坡稳定性分析方法Bishop 法[4], 并作一定的修正. 视渗流为准静态, 仅变化规律.

对不同坡比的多个堤岸边坡作了数值计算, 鉴于所得结果类似, 下面仅列出如下参数

h =10m, B =600, C =16kN/m 3, C sat =20kN/m 3,

c ø=0. 116C h , A c =0, B c =0. 5, U ø=28, A U =B U =0. 90考虑水位升降引起的浸透水压和抗剪强度指标的变化, 来探讨堤岸边坡的安全系数随时间的

的算例结果予以说明. 不同水位升降速度及不同压力传导系数下该堤岸边坡的安全系数随时间变化的规律见图1～4. 这里, 需要说明的是:在分析本例时, 假定最危险滑移面通过坡脚, 且在水位变化过程中不变以及涨水前潜水位通过坡脚

.

图1　不同压力传导系数a 下安全系数时程曲线

　　　(水位上升:v =1m/d, 稳定水位7m)

F ig. 1　Sa fety factor vs. time cur ves with

　　　differ ent pr essur e conduction coefficients

　　　(wat er level rises at v =1m/d,

　　　stable wat er level is 7m ) 图2　不同上升速度时安全系数时程曲线　　　(水位上升:a =1000m 2/d, 稳定水位7m) Fig. 2　Safety factor vs. time curves with 　　　different r ising velocities 　　　(water level r ises:a =1000m 2/d, 　　　stable water level is 7m)

从图1和图2可以看出, 水位上升, 开始时安全系数减小, 但是, 水位上升达到一定高度后, 安全系数反而有所增大. 水位稳定后, 安全系数随时间逐渐降低, 最后趋于稳定. 若土的透水性越强, 上升速度越快, 则安全系数随时间变化就越快. 对同一水位, 上升速度快时安全系数较大.

图3与图4表明, 水位下降, 开始时安全系数减小, 但是, 水位降低到一定高度后, 随着时下降速度越快, 则安全系数随时间变化越快

. 间的推移安全系数会逐渐增大. 水位稳定后, 安全系数逐渐趋于稳定. 若土的透水性越弱, 水位

图3　不同压力传导系数a 下安全系数时程曲线

　　(水位下降:v =1m /d , 水位从7m 到0m )

F ig. 3　Sa fety factor vs. time cur ves with differ ent

　　　pressure conduct ion coefficients

　　　(wat er level falls at v =1m/d,

　　　water level fr om 7m to 0m )

　　图4　不同下降速度时安全系数时程曲线(水位下降:a =1000m 2/d , 水位从7m 到0m ) Fig. 4　Safety factor vs. time curves with 　　　different falling velocities 　　　(water level f alls:a =1000m 2/d, 　　　water level is fr on 7m to 0m 上述结论与实际情况基本相符.

仔细分析图2, 即不同涨水速度时的安全系数时程曲线, 可发现每条曲线涨水段的最低点, 也就是最小安全系数处, 尽管它们对应的时间不同, 但相应的水位都相等, 为5m. 同样分析图4, 也可发现不同退水速度时最小安全系数所对应的水位都是4m, 竟然也相等. 这两个水位大约在坡高40%～50%处. 因此, 可以认为, 对同一均质边坡, 不管涨水还是退水, 也不管速度大小, 都存在一个使堤岸边坡的稳定系数最小的水位值.

图1、图2中曲线的转折点是因水位涨到一定高度后不再变化所致.

6　结　论

a 退水比涨水时堤岸边坡更易遭受破坏.

b 退水越快, 边坡越不稳定.

因. c 堤岸体中潜水位变化滞后于江河水位变化是造成快速退水堤岸边坡更易破坏的主要原

d 不管是退水还是涨水, 都存在一个使堤岸边坡的稳定系数最小的水位值.

e 由于我们在分析堤岸边坡稳定性时, 尚未考虑渗流对土颗粒产生的动水力、水对堤岸边坡的侵蚀和波浪的冲击等因素, 因而所得结果还是初步的.

参　考　文　献

[1]　张英, 李宪文主编. 防汛手册[M]. 北京:中国科学技术出版社, 1992. 180～380.

[2]　郭东屏主编. 地下水动力学[M ].西安:陕西科学技术出版社, 1994. 104～118.

[3]　(日) 申润植. 滑坡整治理论和工程实践[M].北京:中国铁道出版社, 1996. 10～100.

[4]　华东水利学院土力学教研室主编. 土工原理与计算(上册) [M]. 北京:水利电力出版社, 1982. 239～

284.

The Influence of Water Level Changing on

the Stability of River Embankment

Ma Chongwu , Liu Zhongyu 11, 2, Mia o Tia nde , Wa ng Dekai 13

(1. Depar tment of Mecha nics , La nzhou Universit y , La nzhou , 730000, China ;

2. Depar tment of Civil Engineer ing, Zhengzhou University of Technology, Zhengzhou, 450002, China;

3. Geological Hazar ds I nstitute, Gansu Academy of Sciences, Lanzhou, 730000, China)

Abstr act :To prevent bank bursting dur ing the flood period , the influence of the variations in the water level on the stability of the bank slope studied . By taking into consideration its permeability and strength softening resulted fr om groundwater , the numer ical results have confirmed that the embankment will have gr eater possibility to lose its stability when the water level falls rapidly because the change of groundwater level lags behind that of the water level of river , and they have also shown that no matter how the water level changes, there is always a critical water level where the safety factor is the minimum. They are of gr eat practical use to the design , control and pr otection of the embankment .

Key wor ds :change of r iver water level ; groundwater ; stability of embankment

第36卷第3期

2000年6月兰州大学学报(自然科学版) Jour nal of Lanzhou U niver sity(Natural Sciences) Vol. 36No. 3June 2000　　文章编号:0455-2059(2000) 03-0056-05

江河水位升降对堤岸边坡稳定性的影响

马崇武, 刘忠玉11, 2, 苗天德, 王得楷13

(1. 兰州大学力学系, 甘肃兰州730000; 2. 郑州工业大学土建系, 河南郑州450002;

3. 甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所, 甘肃兰州730000)

摘要:针对洪水期江河堤岸溃堤、溃坝问题, 研究了水位变化对堤岸边坡稳定性的影响. 考虑堤岸体的透水性和地下水浸润造成堤岸体软化等因素的影响, 通过数值计算, 初步论证了因堤岸体中潜水位变化的滞后引起的快速退水的危害性质. 同时发现不管是退水还是涨水, 都存在一个使堤岸边坡的稳定系数最小的水位值. 这一结论对堤岸边坡的设计和防护具有指导意义.

关键词:江河水位升降; 潜水位; 堤岸稳定性

中图分类号:P 642. 22　　　文献标识码:A

堤岸边坡的稳定性分析是工程界普遍关心的问题之一. 因为堤岸一旦失稳造成溃决, 将给两岸人民的生命财产安全造成严重威协, 以致每年汛期, 我国在江河两岸都要投入大量人力和物力来确保堤岸安全渡汛. 1998年长江、松花江、嫩江流域的特大洪水造成多处堤岸破坏的事实表明:江河水位的升降是诱发堤岸溃堤的一个重要因素. 因此研究江河水位变化对堤岸边坡稳定性的影响非常必要.

1　堤防工程概述

堤防是抗御洪水的主要设施, 堤防工程多为防御季节性洪水, 它受大自然和人类活动的影响. 我国1992年堤防已达二十多万公里[1]. 按其修筑的位置不同, 分为河堤、江堤、湖堤、海堤以及水库、蓄滞洪区低洼地区的围堤等. 造成堤岸坍塌的原因有水流冲刷、水位骤降以及堤岸岩土体长期经气候和风雨的剥蚀、冻融等等. 由于在高水位时, 堤岸浸泡饱和, 岩土体含水重量增大, 抗剪强度减低, 以致当水位骤降土体失去了外水的顶托力时, 高水位时渗入岩土体内的水又反向江河内渗出, 促使堤岸滑脱坍塌[1]. 因此在大洪水、洪峰过后的落水期, 堤岸容易出现坍塌是堤岸坍塌抢护工作中不可忽视的事实.

目前关于水位变化对堤岸边坡稳定性的影响研究, 大多是定性的描述. 本文试图从定量的角度, 初步论证因堤岸体中潜水位变化的滞后引起的快速退水的危害性质.

2　水与堤岸岩土体的相互作用

震发生的情况下, 水是诱发堤岸溃决的最关键因素. 水与堤岸岩土体的相互作用可概括如下:

收稿日期:1999-03-31.

作者简介:马崇武(1965-) , 男, 副教授, 博士. 诱发堤岸溃堤的因素较多, 如江河水位的升降、地震、人类活动及虫兽危害等等. 在没有地

第3期　　　　　　　　　马崇武等:江河水位升降对堤岸边坡稳定性的影响　　　　　　　　　　57

(1) 水位变化直接影响堤岸体中的潜水位变化;

(2) 水的渗流导致岩土体自重和应力的改变;

(3) 渗流对土颗粒产生动水力;

(4) 长期浸水将降低堤岸岩土体的抗剪强度;

(5) 水对堤岸边坡坡脚的侵蚀;

(6) 波浪的冲击等.

由此可见, 江河水位升降变化下堤岸边坡的稳定性问题应该是考虑水的渗流作用的动力学问题, 由于目前对水的运动规律、水土的作用规律还不能准确地进行定量描述, 这一问题还没有得到很好的解决. 作为对这一问题的初步探讨, 本文暂将渗流等作用因素对堤岸稳定性的影响作为准静态问题.

3　潜水位的变化规律

江河堤岸一般是均质岩土体, 为使问题简单化, 假定:(1) 含水层为均质各向同性, 侧向无限延伸, 隔水底板水平; (2) 潜水无竖向补给与消耗; (3) 江河水位随时间上升的高度与含水为一维; (6) 江河堤岸无限宽. 据此可建立江河水位等速升降时潜水位变化的数学模型[2]

2a 2=, 　00, 5x 5t

s (x , 0) =0, 　0

s (0, t ) =vt , 　t >0,

s (∞, t ) =0, 　t >0.

的时间, x 是计算点到河边的水平距离, a 是反映岩土体透水性的压力传导系数. 上式的解为

s (x , t ) =vtM (x , t ) ,

其中M (x , t ) =4i 2erf c (u ) ,

u =x /(2

i er f c (u ) =2层相比较小; (4) 初始时潜水位水平, 并与江河水位相等; (5) 江河直线延伸, 其两侧渗流可视(1) (2) 式中:s 是潜水位变化值(自初始水位算起) , v 是江河水位变化速度, t 是从水位开始变化算起(3)

(4) (5) e -y 2at ) , +∞

u +∞u P ∫∫u +∞d y d u d u . (6)

当江河水位呈折线变化时, 利用叠加原理有

m

s (x , t ) =∑(v

i =1i -v i -1) (t i -t i -1) M (x , t -t i ). (4)

式中:v i 即为在时间段[t i -1, t i ]内的江河水位变化速度.

4　参数的确定

潜水面以下应采用饱和重度, 以上应采用天然重度. 将潜水面视为水气交界面, 不考虑毛细现象, 这样潜水面以下的岩土体可视为饱和, 于是

岩土体被水浸湿饱和后, 假定抗剪强度参数指标立即减小, 即

c s =c õA c , 　U s =U õA U .

假定原来的饱和土体一旦疏干, 抗剪强度指标立即得到部分恢复, 即

c h =c õB c , 　U h =U õB U .

式中:B c , B U 称为恢复系数(0≤B c ≤1, 0≤B U ≤1) . 系数A c , A U 和B c , B U 由实验确定. 讨论对象, 则沿着滑动面所加的浸透水压可用下式估计, 即

P =pV .

度. 本文暂不考虑有压或承压地下水(pressur e groundwater) 的情形. [3](8) 式中:c , U 为浸水前岩土体的抗剪强度指标, A c , A U 称为折减系数(0≤A c ≤1, 0≤A U ≤1) ; 同样(9) 若堤岸体中的地下水为自由地下水(unconfined groundwater ) , 并取单位长度的堤岸体为(10) 式中:p =C w ×动水斜率=C w sin A , V 为浸泡在水里的体积, A 为滑动面的倾角, C w 为水的重

5　算例与分析

本文采用传统的边坡稳定性分析方法Bishop 法[4], 并作一定的修正. 视渗流为准静态, 仅变化规律.

对不同坡比的多个堤岸边坡作了数值计算, 鉴于所得结果类似, 下面仅列出如下参数

h =10m, B =600, C =16kN/m 3, C sat =20kN/m 3,

c ø=0. 116C h , A c =0, B c =0. 5, U ø=28, A U =B U =0. 90考虑水位升降引起的浸透水压和抗剪强度指标的变化, 来探讨堤岸边坡的安全系数随时间的

的算例结果予以说明. 不同水位升降速度及不同压力传导系数下该堤岸边坡的安全系数随时间变化的规律见图1～4. 这里, 需要说明的是:在分析本例时, 假定最危险滑移面通过坡脚, 且在水位变化过程中不变以及涨水前潜水位通过坡脚

.

图1　不同压力传导系数a 下安全系数时程曲线

　　　(水位上升:v =1m/d, 稳定水位7m)

F ig. 1　Sa fety factor vs. time cur ves with

　　　differ ent pr essur e conduction coefficients

　　　(wat er level rises at v =1m/d,

　　　stable wat er level is 7m ) 图2　不同上升速度时安全系数时程曲线　　　(水位上升:a =1000m 2/d, 稳定水位7m) Fig. 2　Safety factor vs. time curves with 　　　different r ising velocities 　　　(water level r ises:a =1000m 2/d, 　　　stable water level is 7m)

从图1和图2可以看出, 水位上升, 开始时安全系数减小, 但是, 水位上升达到一定高度后, 安全系数反而有所增大. 水位稳定后, 安全系数随时间逐渐降低, 最后趋于稳定. 若土的透水性越强, 上升速度越快, 则安全系数随时间变化就越快. 对同一水位, 上升速度快时安全系数较大.

图3与图4表明, 水位下降, 开始时安全系数减小, 但是, 水位降低到一定高度后, 随着时下降速度越快, 则安全系数随时间变化越快

. 间的推移安全系数会逐渐增大. 水位稳定后, 安全系数逐渐趋于稳定. 若土的透水性越弱, 水位

图3　不同压力传导系数a 下安全系数时程曲线

　　(水位下降:v =1m /d , 水位从7m 到0m )

F ig. 3　Sa fety factor vs. time cur ves with differ ent

　　　pressure conduct ion coefficients

　　　(wat er level falls at v =1m/d,

　　　water level fr om 7m to 0m )

　　图4　不同下降速度时安全系数时程曲线(水位下降:a =1000m 2/d , 水位从7m 到0m ) Fig. 4　Safety factor vs. time curves with 　　　different falling velocities 　　　(water level f alls:a =1000m 2/d, 　　　water level is fr on 7m to 0m 上述结论与实际情况基本相符.

仔细分析图2, 即不同涨水速度时的安全系数时程曲线, 可发现每条曲线涨水段的最低点, 也就是最小安全系数处, 尽管它们对应的时间不同, 但相应的水位都相等, 为5m. 同样分析图4, 也可发现不同退水速度时最小安全系数所对应的水位都是4m, 竟然也相等. 这两个水位大约在坡高40%～50%处. 因此, 可以认为, 对同一均质边坡, 不管涨水还是退水, 也不管速度大小, 都存在一个使堤岸边坡的稳定系数最小的水位值.

图1、图2中曲线的转折点是因水位涨到一定高度后不再变化所致.

6　结　论

a 退水比涨水时堤岸边坡更易遭受破坏.

b 退水越快, 边坡越不稳定.

因. c 堤岸体中潜水位变化滞后于江河水位变化是造成快速退水堤岸边坡更易破坏的主要原

d 不管是退水还是涨水, 都存在一个使堤岸边坡的稳定系数最小的水位值.

e 由于我们在分析堤岸边坡稳定性时, 尚未考虑渗流对土颗粒产生的动水力、水对堤岸边坡的侵蚀和波浪的冲击等因素, 因而所得结果还是初步的.

参　考　文　献

[1]　张英, 李宪文主编. 防汛手册[M]. 北京:中国科学技术出版社, 1992. 180～380.

[2]　郭东屏主编. 地下水动力学[M ].西安:陕西科学技术出版社, 1994. 104～118.

[3]　(日) 申润植. 滑坡整治理论和工程实践[M].北京:中国铁道出版社, 1996. 10～100.

[4]　华东水利学院土力学教研室主编. 土工原理与计算(上册) [M]. 北京:水利电力出版社, 1982. 239～

284.

The Influence of Water Level Changing on

the Stability of River Embankment

Ma Chongwu , Liu Zhongyu 11, 2, Mia o Tia nde , Wa ng Dekai 13

(1. Depar tment of Mecha nics , La nzhou Universit y , La nzhou , 730000, China ;

2. Depar tment of Civil Engineer ing, Zhengzhou University of Technology, Zhengzhou, 450002, China;

3. Geological Hazar ds I nstitute, Gansu Academy of Sciences, Lanzhou, 730000, China)

Abstr act :To prevent bank bursting dur ing the flood period , the influence of the variations in the water level on the stability of the bank slope studied . By taking into consideration its permeability and strength softening resulted fr om groundwater , the numer ical results have confirmed that the embankment will have gr eater possibility to lose its stability when the water level falls rapidly because the change of groundwater level lags behind that of the water level of river , and they have also shown that no matter how the water level changes, there is always a critical water level where the safety factor is the minimum. They are of gr eat practical use to the design , control and pr otection of the embankment .

Key wor ds :change of r iver water level ; groundwater ; stability of embankment