地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)沿海航道岸坡穩(wěn)定性影響分析

沈達(dá)博

（舟山市港航管理局，浙江舟山 316000）

地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)沿海航道岸坡穩(wěn)定性影響分析

沈達(dá)博

（舟山市港航管理局，浙江舟山 316000）

地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性研究意義重大。本文對(duì)舟山某航道邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)均質(zhì)土體邊坡和不同地層結(jié)構(gòu)邊坡利用ABAQUS軟件計(jì)算安全系數(shù)，通過位移和塑性貫通區(qū)位置進(jìn)行對(duì)比穩(wěn)定性，對(duì)不同地層結(jié)構(gòu)邊坡分別考慮在重力、水流力作用下岸坡穩(wěn)定性情況并進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：在安全系數(shù)、位移和塑性貫通區(qū)方面，不同地層結(jié)構(gòu)邊坡強(qiáng)于均質(zhì)土體邊坡；水流力作用致使安全系數(shù)大于自重情況下，不同地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)岸坡穩(wěn)定性的研究是必要的，也便于在工程中應(yīng)用推廣。

地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)；沿海航道；岸坡穩(wěn)定性；ABAQUS

在國(guó)際遠(yuǎn)洋貿(mào)易中，水路運(yùn)輸因其載運(yùn)量大、成本低而作為貨物運(yùn)輸首選，隨著“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，國(guó)家大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，水運(yùn)日漸興盛。航道是水路運(yùn)輸必不可少的組成部分，但載運(yùn)量隨著貿(mào)易額逐年增加，導(dǎo)致船舶大型化，對(duì)航道水深有著嚴(yán)格的要求，航道的逐年疏浚對(duì)岸坡土體穩(wěn)定性影響極大，前人學(xué)者對(duì)岸坡穩(wěn)定性展開了大量的相關(guān)研究，有相當(dāng)豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論積累。劉濤等[1]在波流共同作用下的航道邊坡穩(wěn)定性研究中，以港口外存在攔門沙的深水航道為研究對(duì)象，利用斷面物理模型試驗(yàn)研究在波流作用下推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)對(duì)航道岸坡穩(wěn)定性的影響，分析邊坡開挖中的設(shè)計(jì)條件；仲南艷等[2]在航道護(hù)岸工程中基槽邊坡穩(wěn)定研究中，基于極限平衡原理，對(duì)某航道邊坡開挖時(shí)的穩(wěn)定性利用Fellenius法和Bishop法進(jìn)行驗(yàn)算，得出了在滲流與超載作用下的安全系數(shù)變化規(guī)律以及最大載荷，并提出相應(yīng)的治理措施；程曦等[3]在基于ABAQUS的內(nèi)河航道岸坡穩(wěn)定性分析中，利用ABAQUS軟件對(duì)某航道邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，并考慮在穩(wěn)定滲流、波浪力以及共同作用下對(duì)邊坡土體穩(wěn)定性的影響，并將安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果與Morgenstern-Price法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證準(zhǔn)確性；張曉詠等[4]在應(yīng)用ABAQUS程序進(jìn)行滲流作用下邊坡穩(wěn)定分析中，利用ABAQUS軟件對(duì)邊坡進(jìn)行滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下的穩(wěn)定性分析，得到浸潤(rùn)面與滑動(dòng)面的準(zhǔn)確位置，并將計(jì)算結(jié)果與瑞典條分法和簡(jiǎn)化Bishop法進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確；周家文等[5]在降雨入滲條件下邊坡的穩(wěn)定性分析中，對(duì)降雨情況下，滲流作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)了隨著降雨入滲的作用，邊坡安全系數(shù)隨之變化的規(guī)律。

本文利用有限元軟件ABAQUS對(duì)大陸引水三期工程某航道基槽岸坡進(jìn)行數(shù)值模擬，分別對(duì)均質(zhì)土體和不同地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析地層結(jié)構(gòu)對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響，隨之對(duì)不同地層結(jié)構(gòu)邊坡在自重與水流力作用下進(jìn)行研究，對(duì)比分析在外荷載作用下對(duì)于不同土層結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性影響，以期為舟山市大陸引水工程的安全提供基礎(chǔ)依據(jù)。

地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)[6-7]指土體往往是由不同時(shí)期不同特性的土層在地質(zhì)作用等情況下形成的分層結(jié)構(gòu)，對(duì)工程的受力特點(diǎn)、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性有巨大影響，如樁基持力層的選取，樁基深入土層的合理性與土體材料特性有很大關(guān)系，樁基所處的土體結(jié)構(gòu)不同，所引起的內(nèi)力變化和變形也會(huì)不同，但也可人為改變土層結(jié)構(gòu)（地基處理）以滿足工程建設(shè)需要。

1 工程實(shí)例

舟山市大陸引水三期工程地跨寧波市、舟山本島兩地，從新泓口圍墾工程?hào)|順堤外下海后，位于二期海底管道北側(cè)，并與之平行延伸，距二期北線和南線管道分別為50 m和100 m，距一期管道150 m，沿東北方向穿過灰鱉洋，至西堠山西北。出海口位置選在馬目山西北桃花涂外海堤處，接入黃金灣調(diào)節(jié)水庫，再輸配水至本島主要水廠及周邊主要島嶼。該工程作業(yè)航道的規(guī)模為5×104t級(jí)雙向通航，規(guī)劃水深為15 m，現(xiàn)狀水深為12 m。對(duì)其三期輸水管道管頂?shù)穆裨O(shè)深度要求為至少在航道底標(biāo)高以下3 m的位置，也就是相對(duì)現(xiàn)狀海床面，管道管頂埋深至少距海床面6 m，即管底位置的埋設(shè)深度至少為7.228 m。工程采用預(yù)挖溝疏浚方案，通過大開挖的方式，預(yù)先挖出滿足深度要求的管溝，然后再鋪設(shè)管道并回填的方式。航道跨越段示意圖見圖1。

圖1 航道跨越段管道下臥示意圖Fig.1 Channel cross section of the pipeline by the diagram

岸坡土體中粉質(zhì)粘土深度為13 m，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土深度為2 m，粘土深度達(dá)到5 m。尺寸如圖2所示。本文利用ABAQUS軟件對(duì)航道邊坡進(jìn)行二維建模[8-9]，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，對(duì)于不同地層結(jié)構(gòu)邊坡共有648個(gè)節(jié)點(diǎn)，593個(gè)單元，單元類型為CPE4四邊形四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元；均質(zhì)土體邊坡有569個(gè)節(jié)點(diǎn)，516個(gè)單元，單元類型同為CPE4單元。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

限制岸坡土體左右兩側(cè)水平位移，限制土體底部水平與豎向位移，對(duì)岸坡分別施加重力與水流力，水流力假設(shè)為正常水位4m。岸坡土體分為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及粘土，土體材料特性見表1。

圖2 岸坡尺寸Fig.2 Size of slope

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation

2 結(jié)果分析

2.1 地層結(jié)構(gòu)的影響

在只考慮重力作用情況下，對(duì)均質(zhì)土體岸坡與不同地層結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比。從圖4可知，均質(zhì)岸坡與不同地層結(jié)構(gòu)岸坡的FV1隨U1的變化關(guān)系曲線大致相似，但以變化曲線拐點(diǎn)作為安全系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，不同地層結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.538，均質(zhì)岸坡為1.472，差值達(dá)到0.066；而且不同地層結(jié)構(gòu)計(jì)算到0.707時(shí)數(shù)據(jù)無法收斂，土體發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，均質(zhì)岸坡計(jì)算到0.663時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)散，土體失穩(wěn)。

圖4 FV1隨U1變化關(guān)系Fig.4 FV1 change with U1

由圖5可知，均質(zhì)岸坡塑性區(qū)位置與不同地層結(jié)構(gòu)岸坡不同，前者出現(xiàn)在坡腳與坡頂處，位置偏上，后者出現(xiàn)在坡底與坡頂處，位置偏下，前者塑性區(qū)域范圍小于前者，但塑性程度遠(yuǎn)大于后者，塑性最大程度區(qū)域出現(xiàn)在坡腳處，后者出現(xiàn)在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層底部。

從圖6中可知，均質(zhì)岸坡滑動(dòng)面位置高于不同地層結(jié)構(gòu)岸坡，前者只限于坡腳以上土體，后者在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土以上土體均出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，但前者滑移最大數(shù)值達(dá)到3.562 mm，后者最大滑移數(shù)值為11.69 mm，前者最大滑移出現(xiàn)范圍明顯大于后者。

圖5 計(jì)算終止時(shí)塑性區(qū)Fig.5 Calculated at the end of the plastic zone

圖6 位移云圖Fig.6 Displacement nephogram

2.2重力與水流力的影響

通過軟件分別對(duì)在重力作用、水流力作用下的不同地層結(jié)構(gòu)岸坡進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，將FV1隨U1變化關(guān)系曲線中的拐點(diǎn)作為安全系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，兩者曲線相似，在重力作用下，土體安全系數(shù)為1.537 78，在水流力作用下，土體安全系數(shù)為1.538 23，后者略大于前者。以軟件計(jì)算結(jié)果發(fā)散時(shí)對(duì)應(yīng)的FV1下，后者U1大于前者。

沿海航道中岸坡土體穩(wěn)定性受水流力影響較重力作用較大，對(duì)于沿海航道穩(wěn)定性研究時(shí)需考慮水流力作用。

圖7 FV1隨U1變化關(guān)系Fig.7 FV1 change with U1

3 結(jié)語

通過對(duì)有限元軟件模擬結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

（1）不同地層結(jié)構(gòu)對(duì)航道岸坡的穩(wěn)定性影響不容忽視，在塑性區(qū)貫通區(qū)域和滑動(dòng)面出現(xiàn)時(shí)刻以及波及范圍都超過均質(zhì)土坡，但安全系數(shù)卻高于后者，在工程建設(shè)中需要引起注意，避免滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

（2）分別在重力、水流力作用下的不同地層結(jié)構(gòu)航道岸坡，在以變化曲線拐點(diǎn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的安全系數(shù)，水流力作用對(duì)安全系數(shù)影響較大于重力作用。

（3）只考慮重力、水流力對(duì)不同地層結(jié)構(gòu)航道岸坡的作用，存在一定的局限性，應(yīng)該進(jìn)行滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合，綜合考慮在岸坡使用期下出現(xiàn)的外荷載影響，結(jié)果會(huì)更為準(zhǔn)確與合理。

[1]劉 濤,陳國(guó)平.波流共同作用下的航道邊坡穩(wěn)定性研究[J].水運(yùn)工程,2014(9):103-108.

[2]仲南艷,殷曉明,王 斐.航道護(hù)岸工程中基槽邊坡穩(wěn)定研究[J].水運(yùn)工程,2007(11):80-86.

[3]程 曦,王元戰(zhàn),馬殿光,等.基于ABAQUS的內(nèi)河航道岸坡穩(wěn)定性分析[J].水道港口,2012,33(2):152-158.

[4]張曉詠,戴自航.應(yīng)用ABAQUS程序進(jìn)行滲流作用下邊坡穩(wěn)定分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(增刊):2 927-2 934.

[5]周家文,徐衛(wèi)亞,鄧俊曄,等.降雨入滲條件下邊坡的穩(wěn)定性分析[J].水利學(xué)報(bào),2008,39(9):1 066-1 073.

[6]蔣建平,黃智勤.巖土工程中的地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)理論探討[J].科技資訊,2011(12):46-47.

[7]蔣建平,劉文白.巖土工程地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)與層組參數(shù)[M].北京：人民交通出版社,2011.

[8]費(fèi) 康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2010.

[9]史旦達(dá),鄧益兵,蔣建平,等.ABAQUS軟件的工程應(yīng)用實(shí)例集[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2015.

Analysis of Waterway Slope Stability in Stratigraphic Structure Effect

SHEN Da-bo
（Port and Shipping Administration of Zhoushan,Zhoushan 316000,China)

Researched stratigraphic structure effect has great significance of slope stability.In this paper,take numerical simulation to channel slope in Zhoushan,calculated safety coefficient for homogeneous soil slope and slope of different stratigraphic structure through the ABAQUS software,compare the stability by displacement and the location of plastic transfixion area,the stability of different stratigraphic structure slope and result in the effect of gravity and hydraulic pressure considered respectively.Results indicated:in the coefficient,displacement and plastic transfixion area,different stratigraphic structure slope be better than homogeneous soil slope;in the coefficient,hydraulic pressure is better than gravity.It’s essential to research the different stratigraphic structure of the stability of slope,also facilitate promotion in engineering application.

stratigraphic structure effect;coastal waterway;the stability of slope;ABAQUS

U656.3

：A

2016-11-20

沈達(dá)博（1984-），男，浙江嵊泗人，工程師，研究方向：港口與航道工程.

1008－830X(2017)01－0077－04