水閘連接段岸坡臨時(shí)開挖穩(wěn)定分析

林詩然

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635）

水閘連接段岸坡臨時(shí)開挖穩(wěn)定分析

林詩然

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635）

北河橋閘重建工程是在舊閘原址重建。右岸鏈接段岸坡的地質(zhì)鉆孔資料揭露存在軟弱土層，經(jīng)過施工期的穩(wěn)定計(jì)算，不能滿足規(guī)范要求。考慮到右岸鏈接段岸坡臨時(shí)邊坡開挖受到場(chǎng)地的限制，采取其他加固防護(hù)措施已經(jīng)沒有條件，在迫不得已的情況下，利用現(xiàn)有岸坡穩(wěn)定的狀況，采取對(duì)滑動(dòng)土層c、φ值的反演推算，來重新分析臨時(shí)邊坡開挖的穩(wěn)定狀況。工程實(shí)際施工與演算結(jié)果符合，工程順利完工，對(duì)臨時(shí)邊坡開挖工程有一定的參考作用。

反演推算；岸坡臨時(shí)開挖；穩(wěn)定計(jì)算

1 工程概況

揭陽市北河橋閘工程由攔河閘、船閘、公路橋、引水涵組成。工程位于榕江北河的揭東縣新亨鎮(zhèn)秋江村，是一宗以灌溉為主，兼有防洪、水陸交通、城鄉(xiāng)工業(yè)及居民生活用水等綜合利用的水利工程。閘址位于榕江支流北河的中游，地處揭東縣新亨鎮(zhèn)秋江村，距下游揭陽市區(qū)直線距離約13km，距下游北河出口長(zhǎng)約40km，距榕江入?？谂Ｌ镅蠹s60km。工程于1975年10月興建，1976年6月完成。1998年進(jìn)行了部分水毀工程的加固。工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型。

原攔河閘主閘總寬217.7m，分35孔，每孔凈寬5.0m，其中第1～2孔、第34～35孔為旱孔，無閘門，底板高程3.8m。第33孔為船閘，第3～32孔底板高程0.5m，設(shè)鋼筋混凝土平板閘門，閘身底板及閘墩為漿砌塊石結(jié)構(gòu)，閘門啟閉機(jī)工作臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。船閘位于右岸的第33孔，為圓拱直墻式結(jié)構(gòu)。

重建攔河閘溢流前緣總寬度為173m，閘孔總凈寬145m，分10孔布置。其中9孔為攔河水閘，1孔為電站引水口。右岸土壩采用均質(zhì)土壩，壩頂高程13.20m，上下游邊坡為1∶2.5，均采用砼護(hù)坡。土壩長(zhǎng)45.4m，最大壩高13.20m；壩頂寬度8.5m，上游設(shè)0.20m厚的砼護(hù)坡；下游為草皮護(hù)坡。

右岸土壩為原攔河閘第34～35旱孔、第33孔船閘和第32孔水閘的一部分。見圖1。

圖1 右岸連接段剖面圖

2 地質(zhì)狀況

2.1 地震

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》、《中國(guó)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》GB18306-2001，本區(qū)位于地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s的范圍內(nèi)，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。根據(jù)區(qū)域資料，沒有活動(dòng)性斷裂通過工程區(qū)、地震活動(dòng)，工程區(qū)位于區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。

2.2 地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和本工程勘察成果，閘址區(qū)分布地層有第四系填土層（QS）、第四系沖積層（Qal）、及燕山三期花崗巖（γ53（2））?，F(xiàn)由上至下分述如下。

(1) 第四系填土層（1）（QS）

右岸土壩填土主要由粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、粉土、中粗砂等組成，局部夾少量卵石、塊石，成分較復(fù)雜，為不均質(zhì)體，厚度一般2.3m～8.9m，層底高程-2.76m～4.92m。填土層中砂土及粘性土分布較雜亂，做標(biāo)貫試驗(yàn)8次平均為5擊，砂土呈松散狀，粘性土為可塑狀。土的主要物理力學(xué)指標(biāo)為：天然含水率27.6%，天然密度1.88g/cm3，天然孔隙比0.785，塑性指數(shù)14.3，液性指數(shù)0.45，壓縮系數(shù)0.357MPa-1，壓縮模量5 MPa，屬中壓縮性土；飽和快剪凝聚力4kPa，摩擦角11.0°。滲透系數(shù)1.16×10-7cm/s，屬中等透水層。

(2) 第四系沖積層（2）（Qal）

該層在河床普遍分布，根據(jù)組成物質(zhì)的成份，可分為（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）、（2-5）、（2-6）六個(gè)亞層，各亞層特征分述如下：

（2-1）粉土、粉砂層，土黃、褐黃色粉土，粘性差或無粘性，松散～稍密狀為主。層厚3.5m～5.8m，層底高程-1.88m～0.44m。在該層中做標(biāo)貫試驗(yàn)6次，平均為5擊。在該層中取到一組土樣，主要指標(biāo)為：水上休止角39.5°，水下休止角33.5°，破壞坡降2.08，滲透系數(shù)為1.51×10-4cm/s?？傮w上，該層土物質(zhì)組成以粉土粒、粉細(xì)砂粒為主，密實(shí)性差，松散狀。

（2-2）含礫中粗砂、礫砂層，褐黃色、淺黃色中粗砂、礫砂組成，局部夾少量泥質(zhì)細(xì)砂、粘性土，級(jí)配較好，飽和。揭露層厚1.0m～7.9m，層底高程-7.3m～-0.88m。在該層做標(biāo)貫試驗(yàn)14次，貫入數(shù)為4擊～23擊，平均14擊。呈稍密狀。休止角38.3°，水下休止角32.0°，在稍密狀態(tài)下滲透系數(shù)為7.29×10-3cm/s。

（2-3）淤泥、淤泥質(zhì)土層，灰黑色淤泥、淤泥質(zhì)粘土組成，局部夾淤質(zhì)砂，含有腐木及有機(jī)質(zhì)，呈流塑～軟塑狀。普遍發(fā)育，層厚0.5m～11.6m，層底高程-11.28m～-2.56m。在該層做標(biāo)貫試驗(yàn)26次，貫入數(shù)為1擊～4擊，平均2擊。在該層取原狀土樣5件，土的類別以淤泥為主，主要指標(biāo)平均值為：天然含水率66.6%，天然密度1.63 g/cm3，孔隙比1.72，塑性指數(shù)22.8，液性指數(shù)1.66，壓縮系數(shù)1.423MPa-1，壓縮模量1.83MPa，屬高壓縮性土；飽和快剪凝聚力6kPa，摩擦角4.4°。

（2-4）淤質(zhì)粉細(xì)砂、中細(xì)砂層，灰色、淺黑色淤質(zhì)粉細(xì)砂、中細(xì)砂，局部含礫砂、淤泥，飽和。層厚0.9m～8.8m，層底高程-10.73m～-6.07m。在該層做標(biāo)貫試驗(yàn)5次，貫入數(shù)為5擊～11擊，平均7擊。取擾動(dòng)砂樣3件，砂的類別以粉細(xì)砂為主，主要指標(biāo)平均值為：礫石含量21.2%，砂粒含量67.4%，粉粒、粘粒含量11.4%，有效粒徑0.06mm，不均勻系數(shù)85.78，曲率系數(shù)9.83，水下休止角31.8°，在松散狀態(tài)下滲透系數(shù)為2.32×10-3cm/s。

（2-5）礫砂、含礫中粗砂層，褐黃色、灰黃色礫砂、含礫中粗砂組成，含泥質(zhì)較多，飽和，中密為主，局部夾中細(xì)砂及粘性土薄層或含少量20mm～30mm卵石。揭露層厚2.7m～12.8m，層底高程-19.62m ～ -10.94m。在該層做標(biāo)貫試驗(yàn)45次，貫入數(shù)11擊～43擊，其中4次貫入數(shù)10擊～15擊，32次貫入數(shù)15擊～30擊，呈中密狀，9次貫入數(shù)大于30擊平均為25擊。土的類別以礫砂、含礫中粗砂為主，在中密狀態(tài)下滲透系數(shù)為2.09×10-2cm/s。

（2-6）粘性土層，青灰色、褐黃色、土黃色粘土組成，局部含腐殖質(zhì)，夾粉質(zhì)粘土、粉土、細(xì)砂薄層，粘塑性好，可塑狀。層底高程-23.36m～-8.78m，層厚2.1m～10.6m。在該層做標(biāo)貫試驗(yàn)48次，貫入數(shù)4擊～36擊，平均8擊。主要指標(biāo)平均值為：天然含水率29.9%，天然密度1.92g/cm3，天然孔隙比0.79，塑性指數(shù)18.8，液性指數(shù)0.42。壓縮系數(shù)0.324MPa-1，壓縮模量5.64MPa，屬中壓縮性土；飽和快剪凝聚力12 kPa，摩擦角6.7°。

(3) 燕山三期花崗巖（γ53（2））（Ⅴ）

褐紅色、褐黃色、灰白色全風(fēng)化中粗?；◢弾r、煌斑巖等組成，一般風(fēng)化較均勻、透徹，呈砂質(zhì)粘土、粉土狀，粘塑性一般，局部位置含風(fēng)化不透的強(qiáng)風(fēng)化巖碎塊。主要指標(biāo)平均值為：天然含水率18.5%，天然密度1.96g/cm3，天然孔隙比0.58；壓縮系數(shù)0.231MPa-1，壓縮模量7.26MPa，屬中壓縮性土；飽和快剪凝聚力24kPa、摩擦角21.8°；三軸固結(jié)不排水剪總抗剪強(qiáng)度為凝聚力25 kPa、摩擦角27.0°；有效抗剪強(qiáng)度為凝聚力23kPa、摩擦角31.5°；滲透系數(shù)為1.81×10-4cm/s。

各巖土層物理力學(xué)參數(shù)值見表1。

表1 榕江北河橋閘各巖土層物理力學(xué)參數(shù)值一覽表

右岸連接段土壩所在位置主要為一級(jí)階地，少部分位于河床區(qū)，地表第四系沖積層厚度一般18.1m～34.1m，包括（2-1）～（2-6）共六個(gè)亞層，層底高程-14.18m～-31.97m。沖積層下部為燕山三期中粗?；◢弾r，硬塑～堅(jiān)硬狀，揭露全風(fēng)化帶厚0.8m～24.2m，層底高程-21.48m～-47.56m；強(qiáng)風(fēng)化帶厚0.8m～6.1m，層底高程-22.28m～-53.66m；弱風(fēng)化帶厚1.1m～7.7m。

3 施工期臨時(shí)開挖岸坡穩(wěn)定計(jì)算

3.1 臨時(shí)變坡穩(wěn)定安全系數(shù)

該岸坡臨時(shí)開挖邊坡處于土壩工程范圍，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定，參照土壩壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：

正常運(yùn)用條件 [K]≥1.35

非常運(yùn)用條件Ⅰ [K]≥1.25

非常運(yùn)用條件Ⅱ [K]≥1.15

岸坡開挖處于施工期，所以只需要計(jì)算非常運(yùn)用條件Ⅰ的工況。

3.2 岸坡臨時(shí)開挖邊坡穩(wěn)定計(jì)算

(1) 計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖2

(2) 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。其中2-2、2-4、2-5土層為砂性地質(zhì)，砂性地質(zhì)一般因攪動(dòng)，很少做剪切試驗(yàn)。根據(jù)地質(zhì)手冊(cè)或者巖土手冊(cè)取經(jīng)驗(yàn)值：天然密度取1.95 g/cm3，飽和快剪凝聚力取0，摩擦角取30。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

(3) 計(jì)算工況

非常運(yùn)用條件Ⅰ，基坑進(jìn)行強(qiáng)排，水位維持在-5.5m以下。

(4) 計(jì)算方法

本次計(jì)算采用河海大學(xué)滲流邊坡穩(wěn)定計(jì)算7.0.7版程序Autobank進(jìn)行計(jì)算。

(5) 計(jì)算結(jié)果

因?yàn)榛舆M(jìn)行強(qiáng)排，水位維持在-5.5m，岸坡不存在水位差，不進(jìn)行滲流計(jì)算。

采用瑞典圓弧法計(jì)算結(jié)果為0.6，不能滿足設(shè)計(jì)要求，如圖3所示。

圖3 計(jì)算結(jié)果

(6) 結(jié)果分析

瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化畢肖普法均采用滑動(dòng)面上抗滑力矩與滑動(dòng)力矩之比和抗剪力與剪切力之比作為穩(wěn)定安全系數(shù)。但是瑞典圓弧法忽略了土條間作用力的影響，使得得到的穩(wěn)定安全系數(shù)一般偏低。因此，《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）中第8.3.11條中規(guī)定，采用瑞典圓弧法計(jì)算時(shí)，非常運(yùn)用條件Ⅰ的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)數(shù)值減小8%，即為1.15。

計(jì)算步驟：

1）作假設(shè)的滑動(dòng)圓弧面；

2）將滑動(dòng)面以上的土體豎直分成n個(gè)寬度相等的土條；

3）計(jì)算各土條的重力及滑動(dòng)面上的法向反力和切向反力；

4）計(jì)算各土條重力在滑動(dòng)面上的切向分力對(duì)圓心的滑動(dòng)力矩；

5）計(jì)算各土條底面處由抗剪力所產(chǎn)生的抗滑力矩；

6）計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)：公式

（c：土條滑動(dòng)面上土的粘聚力；：土條滑動(dòng)面上土的內(nèi)摩擦角）

從以上計(jì)算過程看，決定安全系數(shù)結(jié)果的是土層的粘聚力和摩擦角；從計(jì)算結(jié)果看，開挖后岸坡的臨時(shí)邊坡發(fā)生深層滑坡，滑弧產(chǎn)生于（2-3）土層；從地質(zhì)情況看，（2-3）土層屬于軟弱的淤泥層，飽和快剪的試驗(yàn)參數(shù)很低。

根據(jù)北河橋閘重建工程的建設(shè)范圍來看，工程屬于舊閘原址重建，基本上沒有征地，施工場(chǎng)地有限。沒有條件通過放緩邊坡來調(diào)節(jié)岸坡臨時(shí)邊坡的穩(wěn)定安全?？紤]通過打旋噴樁或者灌漿來改善滑動(dòng)土層的地質(zhì)參數(shù)，但是又沒有實(shí)際的依據(jù)能知道改善后的土層參數(shù)值。且新增的措施將加大工程的投資。

圖4 計(jì)算斷面

在迫不得已的情況下，只能對(duì)滑動(dòng)土層的參數(shù)進(jìn)行分析。也就是決定臨時(shí)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的土的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。一般情況下，土樣都是從現(xiàn)場(chǎng)鉆孔采集，帶回土工實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)。但是不可避免的是在取樣和運(yùn)送的過程中，土樣會(huì)受到擾動(dòng)，相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)會(huì)偏低。土的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ都是十分敏感的參數(shù)，有時(shí)候試驗(yàn)結(jié)果與事實(shí)偏差很大。往往為了工程的安全，也為了工程留有安全富余，都會(huì)采用土工實(shí)驗(yàn)室提供的地質(zhì)參數(shù)。但是在穩(wěn)定計(jì)算中，安全系數(shù)的取值已經(jīng)考慮了這部分的安全富余，所以完全可以盡可能的采用更接近土樣本身性質(zhì)的地質(zhì)參數(shù)。

利用現(xiàn)有岸坡的穩(wěn)定現(xiàn)狀，來反演推算出滑動(dòng)土層的地質(zhì)參數(shù)（土的粘聚力c和內(nèi)摩擦角）?，F(xiàn)有岸坡的情況是穩(wěn)定的，根據(jù)穩(wěn)定安全計(jì)算的結(jié)果分析，可以認(rèn)為此時(shí)岸坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1。通過假定土的粘聚力c和內(nèi)摩擦角值φ，使用程序Autobank，求得一一對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)值。取最接近于安全系數(shù)1對(duì)應(yīng)的粘聚力c和內(nèi)摩擦角值φ，作為連接段岸坡臨時(shí)邊坡開挖斷面的地質(zhì)參數(shù)。因?yàn)榻?jīng)計(jì)算連接段的岸坡臨時(shí)邊坡產(chǎn)生深度滑弧的在（2-3）土層，所以只需對(duì)（2-3）土層進(jìn)行地質(zhì)反演推算。

3.3 （2-3）土層地質(zhì)參數(shù)的反演推算

(1)計(jì)算斷面（選取右岸距離土壩較近的岸坡斷面），如圖4。

(2) 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。其中砂性地質(zhì)天然密度采用1.95，飽和快剪凝聚力采用0，摩擦角采用30。依次選?。?-3）土層的飽和快剪凝聚力及內(nèi)摩擦角，進(jìn)行演算。

(3) 計(jì)算工況

按照施工期工況，干地施工，將水位維持在0.00m以下。

(4) 計(jì)算方法

根據(jù)現(xiàn)狀岸坡的穩(wěn)定情況，模擬反演軟弱土層的地質(zhì)參數(shù)。本次計(jì)算采用河海大學(xué)滲流邊坡穩(wěn)定計(jì)算7.0.7版程序Autobank進(jìn)行計(jì)算，依次計(jì)算各個(gè)不同凝聚力和摩擦角對(duì)應(yīng)的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)。由岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)約等于1來反演（2-3）土層的飽和快剪凝聚力及內(nèi)摩擦角。

(5) 計(jì)算結(jié)果

采用瑞典圓弧法計(jì)算，如圖5所示。

(6) 結(jié)果分析

（2-3）土層的飽和快剪凝聚力及內(nèi)摩擦角取值為：c=16，摩擦角=12，計(jì)算結(jié)果接近于1。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖5 計(jì)算結(jié)果

表2 岸坡安全系數(shù)推算表

3.4 （2-3）土層地質(zhì)參數(shù)調(diào)整后的岸坡臨時(shí)邊坡穩(wěn)定計(jì)算

(1) 計(jì)算簡(jiǎn)圖（見圖6）

適當(dāng)放緩了（2-3）土層的臨時(shí)開挖邊坡，對(duì)坡腳起到壓重的作用。

圖6 計(jì)算簡(jiǎn)圖

(2) 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。其中砂性地質(zhì)天然密度采用1.95，飽和快剪凝聚力采用0，摩擦角采用30。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)狀岸坡的穩(wěn)定計(jì)算，反演推算出（2-3）土層的飽和快剪凝聚力采用16，摩擦角采用12。其臨時(shí)開挖邊坡采用1：3。

(3) 計(jì)算工況

非常運(yùn)用條件Ⅰ，基坑進(jìn)行強(qiáng)排，水位維持在-5.5m以下。

(4) 計(jì)算方法

本次計(jì)算采用河海大學(xué)滲流邊坡穩(wěn)定計(jì)算7.0.7版程序Autobank進(jìn)行計(jì)算。

(5) 計(jì)算結(jié)果

采用瑞典圓弧法計(jì)算結(jié)果為1.43，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖7所示。

圖7 計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

北河橋閘重建工程右岸連接段土壩岸坡開挖牽動(dòng)著參建各方的心，因?yàn)槭┕?chǎng)地受限，地質(zhì)情況揭露存在淤泥層，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工十分不利。為了使該工程能夠順利的進(jìn)行，通過對(duì)現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定的斷面進(jìn)行反演推算。修正軟弱土層的試驗(yàn)參數(shù)，并重新計(jì)算來分析連接段岸坡的臨時(shí)開挖邊坡的穩(wěn)定情況?，F(xiàn)場(chǎng)開挖后在1∶3開挖邊坡的平臺(tái)上追加鋼板樁支護(hù)，減少最危險(xiǎn)滑坡從（2-3）土層出露造成的破壞。最終土壩岸坡開挖實(shí)施順利完成，為土壩及船閘施工奠定了基礎(chǔ)。也成功證明了在臨時(shí)邊坡開挖工程中，對(duì)滑動(dòng)土層地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行反演推算來分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，是可行的。

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Stability Analysis of the Temporary Slope Excavation of the Sluice Connection Section

LIN Shi-ran
(Guangdong Hydropower Planning&Design Institute, Guangzhou 510635, China)

The bridge sluice reconstruction project of North River is rebuilt on the former site. Geological borehole data reveal the existence of soft soil layer, based on the stability calculation of construction period, cannot meet the requirements of the specification. The site of temporary side slope excavation is restricted on the right bank, where there is no room to take other protective measures without reinforcement conditions. The inversion calculation of geological parameters is conducted on the existing slope stability condition, and the stability of the temporary slope excavation is analyzed. The actual construction of the project is in line with the calculation results, and the project is completed on schedule. The study may serve as certain reference for temporary slope excavation project.

inversion calculation; temporary slope excavation; stability calculation

TU43

A

1672-2841（2016）02-0021-06

2016-04-28

林詩然，男，助理工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)工作。