水位動態(tài)變化對駁岸穩(wěn)定性影響研究

隨著生態(tài)文明的發(fā)展，園林設(shè)計注重水生涂料的景觀和生態(tài)，忽視涂料的穩(wěn)定性，科學(xué)計算涂料的穩(wěn)定性。從業(yè)者根據(jù)以往的經(jīng)驗進行設(shè)計,導(dǎo)致水體駁岸存在著不同程度的安全隱患,不僅影響景觀效益的充分發(fā)揮,甚至造成嚴重的事故1計算值的值1.1駁岸結(jié)構(gòu)簡化模型為了研究水位動態(tài)變化對駁岸滲流自由面變化情況和駁岸穩(wěn)定性的影響,水位變化速率分別取0.5m/d、1m/d、2m/d、3m/d、4m/d和5m/d,收集了駁岸水位上升和下降兩種工況下170d內(nèi)駁岸滲流自由水面線和駁岸安全系數(shù)隨時間變化水位地質(zhì)資料。澧水河駁岸簡化模型如圖1所示,土體材料均為各向同性,其參數(shù)見表1。駁岸的土–水特征曲線參考文獻1.2計算方法駁岸水位的變化在飽和-非飽和土體中產(chǎn)生不穩(wěn)定滲流,引起駁岸土體的體積變化和抗剪強度變化,抗剪強度變化可通過安全系數(shù)變化得到反映2結(jié)論分析2.1水位上升過程中流場及其穩(wěn)定性分析工況1初始水位為11m,駁岸安全系數(shù)為1.23,其初始滲流場和穩(wěn)定性分析如圖3所示,水位分別以0.5m/d、1m/d、2m/d、3m/d、4m/d和5m/d的速度上升到最高水位19m,其滲流場如圖4所示。2.1.1自由水面線與駁岸坡面夾角圖4表明,水位變化速度越小,自由水面曲線分布越均勻。當水位以0.5m/d的速度上升時,自由水面線間距均勻,呈平緩狀,與駁岸坡面夾角約為45°。隨著速度增加,自由水面線在坡頂處逐漸集中、梯度增大,自由水面曲線與駁岸坡面夾角減小。當水位以5m/d的速度上升時,自由水面線呈拋物線狀,分布極不均勻,在坡腳出稀疏,而在頂部處逐漸密集。自由水面線與駁岸夾角約為15°。由此可見隨著水位上升速度逐漸增大,自由水面的滯后效應(yīng)越明顯。2.1.2水位上升速度對穩(wěn)定性的影響駁岸在工況1條件下的不同時間段安全系數(shù)見表2,圖5是駁岸安全系數(shù)隨時間變化曲線。從不同上升速度的安全系數(shù)變化曲線表明,盡管水位上升速度大小不同,但駁岸的安全系數(shù)均隨駁岸水位逐漸上升表現(xiàn)出同步提高,當達到一定峰值后出現(xiàn)一定程度回落,最終趨于一致。安全系數(shù)隨著水位的上升逐漸增大并達到最大值,隨水位的進一步抬升,安全系數(shù)又開始回落直到最后穩(wěn)定。表3表明當水位上升速度為0.5m/d時,駁岸安全系數(shù)提高了35%,而5m/d的水位上升速度的安全系數(shù)較未上升前增加了44%。由此可見隨著水位上升速率增大,駁岸安全系數(shù)不斷增加。水位上升過程中,駁岸安全系數(shù)有所提高,水位不斷上升導(dǎo)致駁岸浸水體積增加。雖然駁岸存在自坡體外向內(nèi)的滲流作用,但由于駁岸滲流的相對滯后效應(yīng),并且水位上升越快滯后效應(yīng)越明顯,使增加的水體起到支擋作用阻止駁岸滑移;當水位穩(wěn)定后安全系數(shù)開始出現(xiàn)降低,即水位穩(wěn)定后駁岸穩(wěn)定性逐漸變小。隨著時間的增加,駁岸地下水接受越來越多的補給入滲,產(chǎn)生的滲流改變地下水自由面的形態(tài),影響孔隙水壓力場,使土體處于飽和狀態(tài)。由于水的潤滑作用,土顆粒間的摩阻系數(shù)及膠結(jié)能力降低,駁岸潛在滑動面抗剪參數(shù)降低,進而降低駁岸的抗剪力,弱化滑動面的抗剪強度,導(dǎo)致駁岸的穩(wěn)定性降低。隨著時間推移,最終形成穩(wěn)定滲流后,駁岸安全性也趨于穩(wěn)定。2.2速度下降到穩(wěn)定水位的滲流場與數(shù)據(jù)分析工況2初始水位為19m,駁岸安全系數(shù)2.14,其初始滲流場和穩(wěn)定性分析如圖6所示,然后分別以0.5m/d、1m/d、2m/d、3m/d、4m/d和5m/d的速度下降到穩(wěn)定水位11m,其滲流場如圖7所示。2.2.1溫度下降過程圖7表明,水位下降時,駁岸滲流自由面都會隨時間逐步降低。水位下降速度越小,駁岸滲流自由面較平緩,反之則駁岸內(nèi)滲流自由面呈上彎曲狀。當水位以0.5m/d、1m/d和2m/d的速度下降時,地下水自由面較平緩,屬于緩降型,自由水面線坡度約為10°;當水位下降速率為3m/d和4m/d時,駁岸體內(nèi)自由面坡度增大,約為30°,自由面下降明顯滯后水位下降,形成較高的水頭差,此時不利于駁岸穩(wěn)定;當水位下降速度為5m/d時,駁岸體內(nèi)自由水面坡度約為45°,地下水出滲點滯后水位越來越多,自由面斜率較大。由此可見,駁岸自由面出現(xiàn)不同程度的滯后現(xiàn)象,隨著水位下降速度增大滯后效應(yīng)越明顯。2.2.2排水速度對穩(wěn)定性的影響不同水位下降速度的園林水體駁岸在不同時間點的安全系數(shù)見表2,駁岸安全系數(shù)隨時間變化曲線如圖8。從圖中可以看出,隨著時間增加,駁岸安全系數(shù)先減小,當達到一定時間(此時安全系數(shù)最小)后,安全系數(shù)逐漸回升。從表4中可以看出,隨著水位下降速度由0.5m/d增大到5m/d,駁岸整體最小安全系數(shù)由1.57減小至1.07,減小了31.8%。水位下降系數(shù)為5m/d時,駁岸安全系數(shù)為1.07,駁岸失穩(wěn)可能性極大。因此駁岸排水時穩(wěn)定性還與排水速度有密切關(guān)系。排水速度越快,駁岸穩(wěn)定性越差,從表4可以看出5m/d的排水速度安全系數(shù)較未排水前降低57%。因此在工況2下應(yīng)選擇較小的排水速度有利于園林水體駁岸穩(wěn)定。在水位降低過程中,駁岸內(nèi)外形成水頭差。水位下降速度越快,內(nèi)外水頭差越大,形成自內(nèi)向外的不穩(wěn)定滲流,直到穩(wěn)定的自由水位。這種不穩(wěn)定滲流所產(chǎn)生的滲流力,使土粒之間的有效應(yīng)力減小,降低了土的抗剪強度。同時滲流力的存在使駁岸可能產(chǎn)生沿滲流力方向的變形,降低駁岸的穩(wěn)定性。當水位穩(wěn)定后,駁岸內(nèi)孔隙水壓力消散,在自由面變化范圍內(nèi),非飽和區(qū)范圍變大,基質(zhì)吸力增大,土體強度提高,土體有效應(yīng)力增加,使駁岸穩(wěn)定性逐漸增大。3水位下降過程中駁岸穩(wěn)定性下降a.水位變化對駁岸滲流場有明顯影響,在不同的水位變化條件下其穩(wěn)定性的變化曲線具有相似性。水位變化速度越大,駁岸自由水面變化滯后越明顯,駁岸內(nèi)需要更長時間恢復(fù)到穩(wěn)定水位,選擇較小的排水速度有利于園林水體駁岸穩(wěn)定。b.駁岸的穩(wěn)定性系數(shù)隨水位的上升由大到小再到穩(wěn)定。在水位上升初期,由于地下水滲流的相對滯后影響,駁岸土層內(nèi)產(chǎn)生微弱的滲流作用,水體起到支擋作用阻止駁岸滑移。隨著時間推移,駁岸地下水接受越來越多的補給入滲,產(chǎn)生的滲流改變地下水自由面的形態(tài),使土體處于飽和狀態(tài),影響孔隙水壓力場,水的潤滑作用降低土顆粒間的摩阻系數(shù)及膠結(jié)能力,駁岸土體抗剪能力降低,因此,水位穩(wěn)定后駁岸的穩(wěn)定性降低。當形成穩(wěn)定滲流后,駁岸安全性也趨于穩(wěn)定。c.隨著水位逐漸下降,駁岸安全系數(shù)先減小,當達到一定水位(安全系數(shù)最小)時,安全系數(shù)逐漸回升。在水位降低過程中駁岸內(nèi)外形成水頭差,水位下降速度越快,內(nèi)外水頭差越大,產(chǎn)生自內(nèi)向外的不穩(wěn)定滲流,直到形成穩(wěn)定的自由水位。