格宾堤防边坡的浸润演变与稳定性全状态研究

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堤防工程是我国防洪体系及水利基础的重要构成,当前有1/3左右的堤防工程存在着隐患和失稳风险。近年来,既能考虑堤防稳定性又能考虑生态功能的格宾支挡加固技术在河道堤防工程设计中逐步应用,应用效果显著。但随着堤防防护水位的变化频率增大,带来格宾支挡在堤防加固工程中抵抗力不足及安全系数计算模糊性等问题,尤其是缺乏对水位变化下格宾边坡的浸润时空特征及稳定全过程认知。为应对技术难题并更好地服务于实践,本文以贵州省剑河清水江防洪堤项目为依托工程,针对该项目所采用的防洪堤形式——加筋格宾挡墙边坡开展研究,分析总结格宾堤防边坡在水位暂稳状态及升降状态时的渗透力变化、支挡结构的变形、浸润演化过程等,结合模型试验数据及浸润线形态,模拟计算格宾堤防边坡动态水头下(水位暂稳状态及升降水位变化)的边坡全状态稳定系数,并以数学函数关系归纳表达。本文主要研究工作及研究成果如下:(1)明晰了格宾堤防边坡在静、动态水位下的浸润特征,静水位浸润时呈坡脚为圆心的扇型浸润,动水位浸润时呈坡脚指向坡内的辐射型。具体形态表现在格宾堤防边坡相比素土边坡浸润响应时长增加1~2倍、平均浸润速率降低了50~70%、浸润线坡体迁移距离为素土边坡的65%、形态呈坡脚指向坡体内部的辐射状。与浆砌片石支挡方式相比,格宾挡墙与边坡土体耦合作用效果较好,边坡变形收敛时间短。坡体内饱和区域向非饱和区域转化时间相对稳定,孔隙水压随升水非线性增加、降水阶梯式缓降,且无超孔隙水压力和基底绕流现象。(2)分析了在升降水过程中影响格宾堤防边坡稳定性的敏感性因素,其影响程度大小依次为格宾支挡结构、升降水位、基岩面层。在升降水过程中,基于试验工况边坡,对于边坡稳定性的敏感性分析,其影响程度为格宾支挡结构>升降水位>基岩面层,渗流场对边坡稳定性有着关键作用,其实质性的影响因素为浸润速度,浸润速度越快,其失稳可能性越大,其水位升降幅度越大,其潜在失稳风险越高。(3)明确了格宾支挡结构在静、动态水位下对边坡稳定性的提升幅度,可有效减小边坡位移、沉降等因素,增大边坡抗剪强度,显著提高了边坡稳定性。具体表现为定水位下格宾堤防边坡的X方向位移、沉降约为素土边坡的1%,最大拉应力约为素土边坡的5.8%;动水位变化时格宾支挡边坡的水平位移约为素土边坡的67.57%,抗拉能力是素土边坡的15.58倍,在水位上升时格宾堤防边坡的计算安全性系数平均为素土边坡的1.88倍,下降时为素土边坡的11.86倍,循环上升时为素土边坡的13.04倍。(4)建立了格宾堤防边坡的边坡稳定性全状态函数,边坡稳定性在二次水位循环周期后呈类正弦函数型强度衰减态势。当水位上升时,边坡的水平位移、沉降、X方向有效拉应力随水位上升而减小,对边坡较为有利;当水位下降时,边坡的水平位移、沉降、X方向有效拉应力随水位下降而增大,而边坡内部浸润线变化滞后于坡外水位,X正向渗透压力增大,坡内形成指向坡外的渗透压力,对边坡稳定不利;当水位循环后,水位变化会造成土体基质吸力的变化,边坡土体含水量增大,孔隙水压力相比无水时较大,于边坡稳定不利。水位循环时,边坡的水平位移、沉降、X方向有效拉应力随水位上升而减小,数值都比初始较大,安全性相比初始循环状态相对减小,试验整体边坡工况呈现类似逐渐衰减的类正弦函数态势。增加格宾挡墙的稳定性远大于无格宾支挡边坡,且水位上升时安全系数增大,循环水位上升时边坡安全系数上升,仍比初始值要小,与实践工程工况一致的G4(有格宾有基岩)可有效抵御这种稳定性衰减态势,为格宾嵌入基岩的施工方式有指导意义。本文依托格宾堤防实践工程,对格宾堤防边坡的浸润特征及稳定性开展研究。基于室内模型试验与数值模拟,分析有无格宾支挡、有无基岩层边坡的渗流场、应力场、位移场的影响因素,总结出格宾堤防边坡的浸润规律及格宾挡墙的支护效果,探究了影响格宾堤防边坡稳定性的敏感性因素,建立了边坡稳定性全状态函数,从模型试验、数值模拟、理论推导等方面综合研究格宾堤防边坡的浸润演变与全状态稳定性。
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