考虑渗流力的堤防边坡稳定分析

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摘要:堤防为河道的挡水建筑物,河堤内外侧存有较大的水头差,堤身存在渗流,渗流场将影响边坡的稳定。土质边坡稳定分析是堤防工程设计中的一项重要内容。文章采用有限元法计算堤防渗流力,求出作用于各土条上的渗流力并将其参与到稳定验算中,并运用极限平衡法中的Morgenxtern&Price法进行边坡稳定分析。

关键词:边坡稳定分析;堤防;渗流力;有限元法;工程设计

中图分类号:TV223文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)01-0147-02

土质边坡稳定分析是堤防工程设计中的一项重要内容,而如何准确、快速地进行土边坡稳定分析是岩土工程师们需要解决的问题。自Fellenius于1927年提出圆弧滑动法以来,至今已出现了数十种边坡稳定分析方法,其中主要有极限平衡法、极限分析法、有限元法等。极限分析法是建立在极限定理基础上的,原则上可以给出问题的上下限解,极限平衡法是土坡稳定分析中最早采用的方法,主要方法有:Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern&Price法、Spencer法、Sarma法等。在工程实践中通常作为二维问题来处理,国内外皆有人对此进行研究,如Chen and Chameau(1982),Hutchinson and Sarma(1985),Xing(1988)and Hungr(1987,1989)。极限平衡法土坡稳定分析作为岩土工程中的经典方法,虽已经历了数十年的研究与应用,但上述各法均没有考虑材料应力―应变关系,所得安全系数只是假定滑裂面上的平均安全度,求出的各间力和滑条底部反力也不是产生滑移变形时真实存在的。在实际工程分析时往往没有考虑渗流对边坡稳定的影响,而堤防为河道的挡水建筑物,河堤内外侧存有较大的水头差,堤身存在渗流,渗流场将影响边坡的稳定。本文采用有限元法计算堤防渗流力,求出作用于各土条上的渗流力并将其参与到稳定验算中,并运用极限平衡法中的Morgenxtern&Price法进行边坡稳定分析。

一、算例分析

1.工程概况。黄河小浪底水利枢纽温孟滩移民安置区工程北防护堤设计全长10.77km,土方填筑51.50万m3,堤防工程级别4级,设计流量670m3/s,堤顶高程超设计水位1.0m,堤顶高程112.07~109.46m,堤顶宽度5.0m,河堤坡1∶2.5。

2.计算参数。根据工程实际情况,堤防断面由地基和堤身两部分组成,计算所需的土体参数指标见表1:

表1堤防断面土体参数指标

3.渗流分析。堤防为河道的挡水建筑物,河堤内外侧存有较大的水头差,堤身存在渗流,渗流场将影响边坡的稳定,因此在分析堤防的边坡稳定时首先求出土体的渗透力,本文采用有限元法分析,边坡有限元离散如图1所示:

渗流结果如图2所示:

4.堤防边坡稳定分析。将渗流分析计算出来的各土各上的渗流力,作为土体的内力参加边坡稳定分析,运用Morgenstern-Price法将考虑对渗力作用的土体进行稳定分析,分析结果如图3。最小安全系数为2.388,而不考虑渗透作用边坡稳定作用边坡稳定的最小安全系数为3.056。

采用Morgenstern-Price法分析,考虑了条块间的法向力和切向力如图4所示,强度和距离关系如图5所示。

二、结语

堤防作为河道的挡水物,由于河堤内外的水头差产生渗流,由此产生的渗透力对堤防边坡稳定有较大影响。尤其是河床水位变化较大,在较大洪水时堤内外的水头差将加大,引起渗流力的加入。由上述分析知,在考虑和不考虑渗流场对边坡稳定影响的情况下,结果差别较大:考虑渗力了作用最小安全系数为2.388,而不考虑渗透作用边坡稳定的最小安全系数为3.056。因此,在存在渗流的堤防边坡稳定分析应考虑渗流作用的影响。

基于极限平衡原理的Morgenstern-Price法考虑了条块间的法向力和切向力,如图4所示,更好的反应工程实际情况,由此得出的分析结果更适合工程实践。

参考文献

[1]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社,1996.

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[5]李玉起,黄志权,王凤群.GeoStudio软件在堤防边坡稳定计算中的应用[J].东北水利水电,2007,2(271).

作者简介:罗卫新(1975-),男,江西省宜春公路桥梁工程有限公司工程师,研究方向:建筑桥梁施工与管理。