堤岸退水速度判别指标的试验研究

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1、水利学报2005年8月SHUILIXUEBAO第36卷第8期文章编号：0559-9350(2005)08-0919-06堤岸退水速度判别指标的试验研究1122余湘娟，王路军，张幸农，应强(1.河海大学岩土工程研究所，江苏南京210098；2.南京水利科学研究院，江苏南京210029)摘要：通过高水位长时间持续作用下不同退水速度的大型室内模型试验，观测不同退水过程的坡体内固定测点的水头变化过程，研究了坡体内孔压消散过程。研究表明，坡体内孔压消散指标和降速评价指标呈对数逻辑增长型函数关系，并得到了背水侧有补给源条件下均质土堤的退水速度判别指标界

2、限值，同时，根据逻辑增长型函数特点得到一种求解退水速度判别指标界限值的简化方法。借助于非稳定渗流有限元分析，研究了多种因素对退水速度判别指标界限值的影响。研究表明，退水速度判别指标界限值的对数值与水位降幅和补给源水位之间呈现很好的平行线性关系，并且可以通过正交试验分析得到三者之间的经验关系式。关键词：模型试验；堤岸；退水速度；判别指标；非稳定渗流中图分类号：TV139.16文献标识码：A水位降落对堤岸边坡稳定性的影响是岩土工程界中一个十分重要且棘手的问题。在高水位时，堤岸岩、土体因浸泡饱和而抗剪强度降低，当水位骤降时，不仅土体容重发生变化，

3、而且会产生对坡体稳定不利的[1]非稳定渗流，致使土粒间有效应力减小，危及边坡的稳定。我国堤防工程设计规范规定，在抗滑稳定计算时考虑设计洪水位骤降期的临水侧堤岸的稳定性。但实际上各条河流退水速度存在差异，有的相去甚远，河道在典型设计洪峰作用下并不一定会达到骤降状态。因此，需要研究堤岸退水速度判别指标界限值并借以评判设计洪水位降落期的临水侧堤岸内浸润线下降情况，这对堤防稳定性分析及设计方案的合理性、经济性来说显得非常有意义。鉴于此，本文在背水侧有补给源的前提下，模拟了在高水位长时间持续条件下不同退速的退水情况，并通过饱和、非饱和渗流的有限元计算

4、，研究了坡体内孔压消散过程，提出了背水侧有补给源条件下均质土堤的水位降速评价指标界限值，并分析了密实度、水位降幅及补给源水位对评价界限值的影响。1室内退水模型试验试验坡体修筑在宽水槽中，水槽底部为混凝土地基。试验坡体坡比为1:1.5，宽7.1m，高1.6m(横断面见图1)。参考长江堤岸崩岸段下部细砂的组成，试验选用级配居中的长江砂作为试验用土，试验土料的相对密实度为0.68，土的基本性质见表1。试验通过水槽蓄、放水形成洪水位升降条件。如图1所示，为模拟坡体背水侧有补给源的情况，在坡体后方设置反渗井并维持其水位不变，将水槽和反渗井中水位调节至

5、1.41m，让坡体充分浸泡，以模拟高水位洪水的长时间持续，之后，开启尾阀放水并实时调节开启阀度，尽量达到线性退水条件，让水位退至尾堰高度(0.20m)。试验实测退水时程线如图2，工况1到工况8的平收稿日期：2004-11-11作者简介：余湘娟(1957-)，女，浙江台州人，教授，主要从事岩土工程的教学及科研。E-mail:xjyu@hhu.edu.cn1水利学报2005年8月SHUILIXUEBAO第36卷第8期均退水速度依次为4.44m/h、1.61m/h、0.89m/h、0.62m/h、0.36m/h、0.27m/h、0.20m/h、0

6、.10m/h，线性相关系数均大于0.987，可以认为达到线性退水条件。由于对自由面进行实时量测存在困难，所以试验利用预先设置的两组测压管来测定底部测点的水头值，借助非稳定渗流分析计算得出其实时自由面的位置(测点布置见图1)。表1试验土的基本性质饱和密度干密度湿密对密孔隙饱和渗ρρ度ρ实度率n透系数3sat/(g/cm)d/(g/cm3/(g/cDrK/(m/s)m3))1.931.501.680.680.431.0E-4图1模型坡体断面及测点布置(单位:m)图2试验退水时程线2非稳定渗流分析2.1基本方程式常用的饱和与非饱和耦合计算数学模型

7、是在假定土中饱和、非饱和状态水分运动基本[2～4]方程式符合达西定理和连续性方程的前提下推导出来的。二维饱和、非饱和渗流支配方程式为∂∂H∂∂H[]∂hK(θ)+K(θ)=C(h)+λS(1)∂xx∂x∂zz∂zs∂t式中：H为总水头；h为压力水头；H=h/(ρwg)+z；θ为体积含水率；C(h)=∂θ/∂h为容水度，在饱和区C(h)=0；λ是判断饱和与非饱和状态的参数，λ=0时计算非饱和渗流，λ=1时计算饱和渗流；Ss是贮水率。初始条件：H(x,z,0)=H0(x,z)。边界条件：已知水头边界Γ1上为H(x，z，t

8、)=H0(x，z，t)；在饱和逸出段边界Γ2上为H(x，z，t)=z；∂H∂H已知流量边界Γ3上为K(θ)cos(n,x)+K(θ)cos(n,z)=q。s0z0∂x∂z其中，q