山区沿河路基边坡冲刷崩塌模式与稳定性计算分析.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流山区沿河路基边坡冲刷崩塌模式与稳定性计算分析.精品文档.山区沿河路基边坡冲刷崩塌模式与稳定性计算分析第8卷第6期2010年12月水利与建筑工程JournalofWaterResourcesand.A.rch.i.t.ect.uralV01.8No.6Dec.,2010山区沿河路基边坡冲刷崩塌模式与稳定性计算分析张麒蛰(福建省交通规划设计院,福建福州350004)摘要:综合考虑了沿河路基受冲刷边坡几何形态变化,河道水位及地下水位对公路路基稳定性的影响情况,建立了沿河路基冲刷崩塌理论模式,并通过对工程实例进行计算分析,探讨了各因素对沿河路基边坡稳定性的影响规律,提出了沿河路基边坡稳定性的判定方法,可作为沿河路基设计与施工的有益参考.关键词:沿河路基;边坡;冲刷崩塌;模式;稳定性;计算分析中图分类号:U416.14文献标识码:A文章编号:1672-1144(2010)06-0049"-03ScouringCollapseModeandCalculatingAnalysisonStabilityofSubgradeSlopebyRiverinMountainAreaZHANGQi-zhe(FujianProvinceCommunicationPlanningand妇Institute,Fuzhou,Fufian350004,China)Abstract:Throughcomprehensivelyconsideringtlleseveralfactorsaffectingtheslopestabilityofriverainsubgrade,suchasthescouredslope'sgeometricpatterns.theriversurfaceandundergroundwaterlevelandSOon,thetheoreticalmodeofscouringcollapseforhighwaysubgradebyfiverisestablished,andtheaffectingregulationonslopestabilityisdiscussedbycalculationandanalysisforanengineeringexample.Atthesalnetime,themethodforjudgingtheslopestabilityisputforward.Allthesecouldgivesomebenefitialreferencesforthedesignandconstructionofriveminhighwaysubgrade.Keywords:by-riversubgrade;slope;scouringcollapse;mode;stability;calculatinganalysis近年来,福建省山区公路建设发展迅猛.然而,由于受地形条件制约,许多公路路基沿河填筑,成为浸水路堤.每当多雨时节,沿河路基边坡受水流冲刷,易产生失稳,崩塌.因此,从建立沿河路基冲刷崩塌模式人手,通过理论计算,分析各因素对沿河路基边坡稳定性影响规律,显得十分必要.1沿河路基稳定性研究现状国内外很多道路工作者对沿河路基边坡稳定性分析做了许多工作,获得了很多宝贵的成果.然而,许多文献】J在分析边坡稳定时,较少综合考虑坡脚在冲刷过程中的几何变化,边坡土体地下水位,河道水位所引起的孔隙水压力及坡前静水压力等因素对边坡稳定性产生的共同影响.因此,本文将在前人对河道岸坡稳定性研究成果_5J的基础上,试图建立沿河路基边坡冲刷崩塌理论模式,并对其稳定性进行计算分析,考察不同因素对破坏面抗滑阻力与下滑牵引力的影响.2沿河路基边坡稳定性分析2.15点假设沿河路基边坡发生冲刷崩塌的影响因素较复杂,由于该方面目前理论推导与计算水平上的限制,本文进行5点条件假设:(1)路基组成物质为粘性土,路基土体各向同性,且坡面无防护措施;(2)路基坡脚冲刷坑水平与垂向距离均为直线;(3)在发生崩塌时,潜在破坏面为平面,且经过坡脚;(4)路基岸坡在发生崩塌时,岸坡顶部出现拉伸裂缝,裂缝中不存在静水压力;(5)河道水位与地下水位均为水平线.2.2冲刷崩塌理论模式的建立沿河路基边坡受水流冲刷,边坡坡脚发生横向推移,同时路基将潜在滑动破坏面受河道水位,地下水位变化所产生的孔隙水压力,组合静水压力的共同作用.结合5点条件假设,沿河路基边坡冲刷崩塌理论模式如图1所示.CDzd_一二/EH1凰一,AZ1A,图1沿河路基边坡冲刷崩塌理论模式收稿日期:20104394)3修回日期:201010-08作者简介:张麒蛰(1977),男(汉族),福建省南靖县人,在读博士,工程师,主要从事路桥工程设计研究工作.50水利与建筑工程第8卷图1中各主要符号定义如下:EF为路基岸坡潜在崩塌破坏平面;BW为路基岸坡崩塌宽度(m);AB为路基岸坡横向冲刷宽度(m);z为路基岸坡垂向冲刷深度(m);/to为路基岸坡初始高度(m);H为水流冲刷后路基岸坡剩余高度(m);t/2为路基边坡崩塌体拉伸裂缝深度(m);FR为路基边坡潜在的抗滑阻力(N);FD为路基边坡潜在的下滑牵引力(N);为路基边坡崩塌土体重量(N);为组合静水压力(N);为组合静水压力的水平分力(N);,2为组合静水压力的垂向分力(N).2.3沿河路基冲刷范围计算2.3.1坡脚横向冲刷宽度计算水流冲刷下,边坡上土体颗粒相续起动,推移,沿河路基坡脚的横向冲刷宽度是时间的连续函数,因此,可利用0sman【7J公式(1)进行计算模拟:AB=Cl×At×(ff)×exp(一1.3Tc)/7,(1)式中:AB为t时间内路基岸坡水流横向冲刷宽度(m);r为路基边坡坡面的水流切应力(N/m2);为路基边坡土体的起动切应力(N/m2);为土体的天然重度(N/m3);Cz为横向冲刷系数,可取Ct=3.64X10一.2.3.2坡脚垂向冲刷深度计算路基坡脚受水流横向冲刷侵蚀,引起坡脚垂向的冲深变化,垂向冲深量与岸坡的坡度有关,为工程计算方便,路基坡脚在t时间内的垂向变化值可近似表示为Az=ABxtana(2)式中:为f时间内路基坡脚冲刷深度(m);为路基岸坡坡度(.).2.4孔隙水压力计算天然河流中,岸坡上河流水位以及岸坡土体中的地不水位在不同时间,不同地点处,水位均不一样.因此,计算路基岸坡崩塌平面上的任一点孔隙水压力时,必须考虑崩塌土体中地下水位与河道水位所引起的孔隙水压力(图2),其计算式如下:Uw=7w(h+.)(3)式中:,为破坏面上任点孔隙水压力(Pa);h为边坡上任意点P的地面水头(m);hp为破坏平面上任意点S的地下水头(m).图2潜在破坏面上的孔隙水压力图2中,潜在破坏平面AB所承受总的孔隙水压力为(ttw?Ax)(4)0式中:为潜在破坏平面的宽度(m);Ax为潜在破坏平面上任意两点间距(m).2.5河道静水压力的计算在计算沿河路基边坡稳定性时,应考虑由于河道水位变化,作用在潜在崩塌土体上的水压力,如图3所示.图3潜在崩塌体上的静水压力作用在潜在崩塌体上的组合静水压力可以通过求解作用在潜在崩塌体上的水平和垂直分力得到啊(5)(6)静水压力的水平和垂直分力可以通过计算作用在路基岸坡各单元上的力给出a(7)a(8)=)'w(AABC)(9)其中,面积IXABC大小由河道水位决定.2.6稳定性安全系数成果推导在沿河路基边坡冲刷崩塌理论模式(图1)中,由于假设路基土体破坏面为平面,稳定性安全系数可定义为:(10)下滑牵引力的表达式为FD:?sinfl一sin#(11)抗滑阻力的表达式为FR=cL+(一)?cosfl+c08?tanj6(12)将式(11),式(12)代入式(10),根据冲刷崩塌理论模式(图1),可得沿河路基边坡稳定性安全系数表达式+(号(一)一)唧+tan)/【号(一)sinfl一)(13)3工程算例与结果分析3.1工程概况闽北山区某高速公路,沿线山高谷深,溪流交错,其中I(234+230K234+750段落公路路堤沿溪而建,现场外业调查资料如下:(1)水位资料:河道最高水位高程168.53in,最低水位高程145.34m,常年浸泡水位高程153.22m;地下最高水位高程152.41m,最低水位高程143.79m,平均水位高程145.02m.第6期张麒蛰:山区沿河路基边坡冲刷崩塌模式与稳定性计算分析51(2)断面资料:桩号K234+500断面路基边坡顶高程171.23m,坡脚处河床高程139.12m.该段路基坡脚受水流横向冲刷后退水平距离在1.0m4.5ITI之间,路基岸坡坡度在1:0.751:1.5之间.(3)路基填料指标:路基边坡填料为砂质粘性土,重度y为23.0kN/m3;干燥状态下,内摩擦角为28.,粘聚力C为120kPa;饱水状态,内摩擦角为26,粘聚力C为80kPa.3.2计算结果分析运用本文沿河路基边坡冲刷崩塌模式的理论成果,根据不同的影响因素组合,对该工况沿河路基边坡稳定安全系数影响规律进行理论分析:(1)从图4,图6和图7可以看出,随着河道水位的升高,稳定性安全系数也随水位的上涨而增大,水下路基边坡稳定性有明显增强的趋势,主要是因为河道水位上涨时,组合静水压力迅速增加,对路基边坡的崩塌起到抑制作用.可见,在工程实践中沿河路基边坡失稳,崩塌大部分出现河道水位回落期.(2)当河道水位稳定在常年水位时,路基边坡地下水位升高,路基边坡稳定性降低(图5).由于公路路基排水系统不完善,或路基填料选择不当,路基边坡土体内地下水位升高,导致潜在抗滑阻力降低,不利沿河路基边坡稳定.因此,沿河路基设计时,应选择粗颗粒作为路基填料,同时应做好孔隙水压力的消散措施.图4河道水位对岸坡稳定性的影响图5地下水位对岸坡稳定性的影响(3)当地下水位高程不变(计算取145.02m)时,坡前河道水位高程在145.34nl168.53nl之间变化时,在同一河道水位中,坡度为1:1.5(倾角33.7o)的路基岸坡明显比倾角为1:0.75(倾角53.1.)的路基岸坡稳定性高(图6).(4)从图7可知,水流对路基边坡的冲刷导致坡脚后退,直接影响到岸坡的稳定性.计算过程显示,当地下水位高程为145.02m,坡前河道水位高程在145.34m168.53m范围内变化.水流冲刷下,路基岸坡坡脚从1.0m后退至4.5m.潜在滑动面计算长度从48.4m减小到46.4m,滑动面倾角度从34.8.增加到36.8.,路基稳定性明显降低.因此,实际工程中,时常采用抛石固脚,片石护坡来防止水流对沿河路基坡脚的横向冲刷,推移,确保沿河路基的安全稳定.河道水位Z/m河道水位/m图6岸坡坡度对岸坡稳定性的影响4结语图7横向冲刷距离对岸坡稳定性影响近年来,许多公路沿河路基边坡水毁现象日益显现,多因素作用下浸水路基边坡稳定性计算研究也逐渐成为道路工作共同关注的热点.本文在前人研究成果的基础上,建立了沿河路基边坡冲刷崩塌理论模式,提出了综合考虑水流冲刷,河道水位,地下水位变化共同作用下的路基稳定性计算方法与计算公式,可为今后沿河路基边坡稳定性影响因素分析,安全稳定性判别以及边坡防护方案的拟定提供理论依据.参考文献:1交通部第二公路勘察设计院.JTGD302OO4公路路基设计规范S.北京:人民交通出版,2OO4:1114.2蒋焕章.公路水文勘测设计与水毁防治M.北京:人民交通出版社,2002:112115.3DarbyandThome.NumericalSimulationofWideningandBedDefor-marionofStraightSandbedRivershModelDevelopmentJ.Janr-n6dofHydraulicn.ef,AScE,1996,122(4):184-193.4Thome.MeasurementsofbendflowhydraulicsO11thefallriveratbank.fuUstageJ.ColoradoSlateUniversity,Colorado,1985,89(3):205212.5DarbyandThome.Developmentandtestingriverbastabilityanal?ysisJ.Journal0fHydraulicEngineering,ASCE,1996,122(4):443454.6黄本胜,白玉川,万艳春.河岸崩塌机理的理论模式及其计算J.水利,2O02,33(9):49-54,60.7OandThome.RiverbankstabilityanalysistEJ.JournalofHy.dranlicEngineering,ASCE,1988,114(2):134150.