基于应力耦合的河堤岸坡窝崩形成机理研究.docx

基于应力耦合的河堤岸坡窝崩形成机理研究 大坝坍塌的破坏非常严重，而且频繁发生。例如，1996年江西彭泽马水库坍塌和1998年湖北省长江甘禄水库石首段崩塌造成的巨大损失。作者将渣壳形成的原因、规律探讨，提高渣壳预测的准确性，为工程处理措施提供重要依据。这是防洪和河流治理领域必须解决的问题，具有重要的理论和实践意义。 国内外诸多学者从土坡稳定、河流动力学、液化角度等研究窝崩, 张幸农等详细总结了该课题的研究进展, 这些均为窝崩的预防、治理提供了理论依据.其中, 基于土坡稳定角度的研究, 经历了从无黏性岸坡到黏性岸坡, 从干燥到饱和再到非饱和状态的演变过程.随着分析方法的不断完善, 各种可能导致窝崩的因素逐渐被考虑, 如孔隙水压力、基质吸力、静水压力、植被、外河水位的变化等, 但是现有的窝崩分析方法仍然存在以下不足: (a) 岸坡典型截面比较理想, 简单; (b) 只能考虑均质的或层状组成的岸坡; (c) 孔隙水压力及基质吸力的分布考虑比较粗糙; (d) 一般仅适用于较陡 (坡角大于60度) 的黏性岸坡, 要将上述方法应用到实际窝崩的预测尚需要进一步的简化.因此, 亟待研究更加一般实用的窝崩分析模型或方法. 本文根据长江流域九江段堤防地质地形特征建立简化的河堤窝崩模型, 从土坡稳定的角度出发, 根据强度折减原理, 采用饱和非饱和渗流应力耦合方法, 综合分析岸坡内在因素和外界动力因素对窝崩形成的作用, 进一步探讨窝崩的机理. 1 算法1.2生长函数 窝崩的本质就是水土的渗流应力耦合作用, 其基本控制方程包括平衡方程、渗流连续性方程、土体本构方程、有效应力原理等.通过对时间和空间的离散, 得到如下基本控制方程 平衡方程KΔδ+LdΔuw=ΔF(1) 连续性方程βLfΔδ?(ΔtρwgKf+ωMN)Δuw=Δt(Qt+Δt+1ρwgKfuw|t)(2)连续性方程βLfΔδ-(ΔtρwgΚf+ωΜΝ)Δuw=Δt(Qt+Δt+1ρwgΚfuw|t)(2) 其中K=∑BTDBLd=∑BTDmHNβ=E/ (H-2Hν)Lf=∑NTmTB Kf=∑BTKwBω=1/R-3β/HMN=∑NTNmH= (1/H, 1/H, 1/H, 0)m= (1, 1, 1, 0) 式中:K——单元劲度矩阵;Δδ——节点位移增量;Ld——单元耦合矩阵;uw, Δuw——节点孔隙水压力及增量;ΔF——外部节点力增量;Lf——渗流耦合矩阵;Kf——单元刚度矩阵;MN——质量矩阵;Q——边界节点的流量;B——应变矩阵;D——非饱和土体的本构矩阵;N——形函数的行向量;Kw——渗透系数矩阵;E——土体的弹性模量;H——基质吸力引起的非饱和土结构模量;ν——泊松比;Δt——时间增量;ρw——水的密度;R——土水特征曲线的斜率的导数. 土体的本构模型采用理想弹塑性模型, 屈服准则为Mohr-Coulomb准则.关于流动法则的选取, 已有研究表明, 流动法则对于岸坡整体安全系数的精度影响很小, 因此, 本文采用关联流动法则, 根据上述基本理论和强度折减原理, 建立计算河堤窝崩的有限元模型研究窝崩机理. 2 错误的影响因素分析 2.1 土体饱和渗透系数 导致窝崩的主要因素有:岸坡土体地质因素 (黏聚力、内摩擦角等) , 地形因素 (岸坡坡比等) , 河流动力因素 (河流侵蚀坡脚) 及水文地质因素 (岸坡内外水位差) 等, 本文以长江流域九江段堤防地质地形特征为背景, 提出如图1所示的概化模型:均质堤防高7m, 坡比1∶3, 岸滩高8m, 坡比1∶2, 土体干密度1.7t/m3, 变形模量为20.0MPa, 泊松比0.3, 黏聚力12.90kPa, 内摩擦角17.9°.土体饱和渗透系数为2.0×10-8m/s, 非饱和渗透参数见文献. 边界条件:底边不透水边界, 水平、竖向位移均约束;岸坡表面为可能出逸边界, 左右两侧竖向边界水平位移约束, 岸坡内外水位以下边界为已知水头边界. 岸坡失稳判据目前尚无统一标准, 本文采用收敛性准则结合特征点位移突变准则作为失稳判据.具体做法:首先试算一个较小的安全系数Fs以保证计算收敛, 岸坡处于初始稳定状态, 随后逐渐增大安全系数, 并观测特征点位移变化 (取堤顶A点作为观测点) , 直至计算不再收敛, 特征点位移发生突变, 此时安全系数即为最小安全系数Fmin. 2.2 b.非耦合分析 为了说明渗流应力耦合分析的必要性, 本节不考虑渗流应力耦合作用, 首先计算渗流场, 然后将渗透力作为体积力荷载施加, 进行应力分析, 以考察耦合分析和非耦合分析的差异.取土体黏聚力为12.90 kPa, 内摩擦角为17.90°, 岸坡内外水位差为7 m的情况进行非耦合分析.分析结果表明, 不考虑耦合的情况下, 岸坡开始滑动时的最小安全系数为1.35, 其潜在的