輸水渠道高填方邊坡穩(wěn)定性影響因素敏感性研究

武 宇

(遼寧省大伙房水庫管理局有限責(zé)任公司， 遼寧 沈陽 110031)

1 工程背景

遼寧省沈陽市輝山明渠始建于1958年，是一條天然河道，渾河的一級(jí)支流，源頭為輝山水庫，承擔(dān)著沈陽市東部地區(qū)的防洪任務(wù)，參與部分區(qū)域的排澇任務(wù)。隨著沈陽東部城區(qū)的擴(kuò)展和延伸，輝山明渠逐漸發(fā)展成為一條城區(qū)河道，承載的功能也逐漸發(fā)生變化，目前主要承擔(dān)防洪、排澇、景觀和生態(tài)功能。輝山明渠全長(zhǎng)11.1km，流經(jīng)大東和沈河2個(gè)行政區(qū)。目前已經(jīng)完成的輝山明渠擴(kuò)寬改造二期工程位于中下游地區(qū)，主要解決了寶馬廠區(qū)的雨水排放問題。輝山明渠的擴(kuò)寬改造二期工程是在一期工程的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)非建成區(qū)段進(jìn)行整治。其中二期工程的第二標(biāo)段為輝山水庫輸水洞出口值寶馬廠區(qū)暗涵進(jìn)口段，全長(zhǎng)2190m，需要對(duì)原有的河道進(jìn)行開挖拓寬、清淤以及渠堤填方加固。整個(gè)工程按照50a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，200a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，設(shè)計(jì)洪水流量265m3/s。工程項(xiàng)目位于長(zhǎng)白山山前沖積傾斜平原地區(qū)，覆蓋層較厚，主要由沖洪積物構(gòu)成，表層土壤主要是壤土、黏土、細(xì)砂以及泥卵石，地面高程在85～125m之間。該標(biāo)段的渠道采用梯形斷面，設(shè)計(jì)底寬21m，設(shè)計(jì)堤頂寬為5.0m。受地勢(shì)影響，在樁號(hào)K0+993～K0+1220渠段需要進(jìn)行高填方，最大填高預(yù)計(jì)為11.5m。對(duì)該渠段的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可以為工程設(shè)計(jì)提供有益的借鑒。

2 計(jì)算原理與方法

2.1 計(jì)算軟件

邊坡失穩(wěn)破壞是巖土工程領(lǐng)域常見的破壞形式之一，在破壞發(fā)生之后往往會(huì)造成巨大的危害，且后期需要投入昂貴的治理費(fèi)用[1]。理正邊坡穩(wěn)定分析軟件是北京理正軟件股份有限公司研發(fā)的一款方便實(shí)用、功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，主要為用戶提供擋土墻設(shè)計(jì)、超級(jí)土釘設(shè)計(jì)、抗滑樁設(shè)計(jì)、軟土路基、堤壩、邊坡分析，幾乎涵蓋了巖土工程所涉及的主要領(lǐng)域，可以一站式解決巖土工程研究領(lǐng)域的模擬計(jì)算分析問題[2]。目前，新版軟件在原有的軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和完善，功能更為強(qiáng)大，是國內(nèi)最實(shí)用的巖土工程計(jì)算工具[3]。同時(shí)，該軟件還具有圖文并茂的特點(diǎn)，比較直觀形象[4]。因此，此次研究選擇理正邊坡穩(wěn)定分析軟件進(jìn)行背景工程邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算。

2.2 計(jì)算范圍

根據(jù)工程的實(shí)際情況以及計(jì)算軟件的具體要求，利用笛卡爾坐標(biāo)系構(gòu)建幾何模型，沿河道中心線指向下游的方向?yàn)閅軸正方向，以垂直于Y軸指向右岸的方向?yàn)閄軸正方向。為了保證模擬計(jì)算的結(jié)果更接近工程的實(shí)際情況、考慮施工過程的復(fù)雜因素以及諸多不確定性，以圣維南原理為基礎(chǔ)，盡量減少邊界條件和施工條件的影響，因此需要在計(jì)算量允許的情況下，盡量擴(kuò)大計(jì)算范圍[5]。結(jié)合研究對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)，沿著渠道的2個(gè)方向各取100m，豎直方向向土層深部取200m。經(jīng)過對(duì)研究渠段的對(duì)比分析，確定選擇K0+1103斷面作為計(jì)算斷面。

2.3 計(jì)算參數(shù)

針對(duì)選擇的計(jì)算區(qū)域，依據(jù)前期的工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，渠底上面的第一層為砂卵石層，第二層為壤土層，最下面為黏土層。分別對(duì)各個(gè)土層進(jìn)行采樣試驗(yàn)[6]。由試驗(yàn)結(jié)果可知，邊坡土體的天然重度為19.1 kN/m3，飽和重度為19.7 kN/m3。邊坡的穩(wěn)定性受諸多因素的影響，為了研究獲取這些因素的具體影響，研究中保持其他因素不變，計(jì)算獲取不同因素水平下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，并獲取穩(wěn)定性系數(shù)隨各因素的變化規(guī)律[7]。此次研究主要涉及黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比以及坡度5個(gè)因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[8]。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 黏聚力

依據(jù)研究渠段的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，邊坡土體的黏聚力變化范圍在14～22 kPa之間。因此研究中在保持其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)置14、16、18、20、22 kPa等5種不同的水平，利用前文構(gòu)建的模型，對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨內(nèi)摩擦角變化的曲線，如圖1所示。

圖1 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨黏聚力變化曲線

由圖1可知，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨黏聚力的增大而顯著增大，基本呈線性變化的特點(diǎn)。與14 kPa相比，當(dāng)黏聚力為22 kPa時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由1.24增加到1.65，增加了約24.9%。由此可見，黏聚力是邊坡穩(wěn)定的重要影響參數(shù)，選用高黏聚力土體進(jìn)行填方施工，有利于提高邊坡的穩(wěn)定性，是施工中必須要考慮的影響因素。

3.2 內(nèi)摩擦角

根據(jù)研究渠段的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，邊坡土體的內(nèi)摩擦角的變化范圍在16°～24°之間。因此研究中在保持其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)置16°、18°、20°、22°、24°等5種不同的水平，利用前文構(gòu)建的模型，對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨黏聚力變化的曲線，如圖2所示。

圖2 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的變化曲線

由圖2可知，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的增大而顯著增大，其變化特征與黏聚力類似。與16°相比，當(dāng)內(nèi)摩擦角為24°時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由1.21增加到1.68，增加了約38.8%。由此可見，內(nèi)摩擦角也是邊坡穩(wěn)定的重要影響參數(shù)，選用內(nèi)摩擦角較大的土體材料進(jìn)行填方施工，有利于提高邊坡的穩(wěn)定性，是在施工中必須要考慮的影響因素。

3.3 彈性模量

結(jié)合研究渠段的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，在保持其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)置2.0、2.5、3.0、3.5、4.0MPa等5種不同的水平，利用前文構(gòu)建的模型，對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨彈性模量的變化曲線，如圖3所示。

圖3 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨彈性模量的變化曲線

由圖3可知，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨彈性模量的增大而呈現(xiàn)波動(dòng)變化的特點(diǎn)，且變化的范圍相對(duì)較小，其最小值為1.31，最大值為1.35，變化率在5%以內(nèi)。由此可見，彈性模量對(duì)邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的影響極為有限，在工程設(shè)計(jì)計(jì)算中可以忽略不計(jì)。

3.4 泊松比

結(jié)合研究渠段的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，在保持其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)置0.2、0.3、0.4、0.5、0.6等5種不同的水平，利用前文構(gòu)建的模型，對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨泊松比的變化的曲線，如圖4所示。

圖4 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨泊松比的變化曲線

由圖4可知，不同泊松比的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化與彈性模量類似，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)出波動(dòng)變化的特點(diǎn)，且變化的范圍相對(duì)較小。由此可見，泊松比對(duì)邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的影響極為有限，在工程設(shè)計(jì)計(jì)算中可以忽略不計(jì)。

3.5 邊坡坡度

結(jié)合研究渠段的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，在保持其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)置0.8、0.7、0.6、0.5、0.4等5種不同的水平，利用前文構(gòu)建的模型，對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨坡度變化的曲線，如圖5所示。

圖5 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨坡度變化曲線

由計(jì)算結(jié)果可以看出，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著坡度的減小而迅速增大，且變化的幅度較大。從具體的數(shù)值來看，當(dāng)坡度為0.8時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.32；當(dāng)坡度為0.4時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.50，相比而言增加了約13.6%。由此可見，坡度是高填方邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中，需要依據(jù)工程實(shí)際以及工程的經(jīng)濟(jì)性選擇合適的邊坡坡度。

4 結(jié)論

此次研究以具體工程為背景，利用理正軟件研究分析了高填方邊坡的穩(wěn)定性，獲得的主要結(jié)論如下。

(1)黏聚力和內(nèi)摩擦角2個(gè)土體強(qiáng)度參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中應(yīng)該盡量選擇黏聚力和內(nèi)摩擦角較大的土體材料。

(2)彈性模量和泊松比2個(gè)變形參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響不大，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中可以不考慮這2個(gè)參數(shù)的影響。

(3)坡度是邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中需要根據(jù)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性要求確定合理的邊坡坡度。