河岸沉積污染物清除過(guò)程中邊坡穩(wěn)定性分析

李文勇

(鄆城縣隨官屯鎮(zhèn)人民政府,山東 菏澤 274700)

位于我國(guó)東南部的部分河流被鉛、汞和多環(huán)芳烴在內(nèi)的多種化學(xué)物質(zhì)污染，這種有害物質(zhì)對(duì)人類的身體健康和生存環(huán)境構(gòu)成了極大的威脅[1- 3]。因此，我們需要對(duì)該污染物質(zhì)以沉積物的形式進(jìn)行消除。初步的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)報(bào)告表明，河道的邊坡相對(duì)穩(wěn)定。任何形式的沉積物移除都有可能致使邊坡不穩(wěn)定，進(jìn)而發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，在河道整治工程進(jìn)行前需要詳細(xì)的巖土工程勘察數(shù)據(jù)和邊坡評(píng)估情況，以便為河道邊坡提供所需的支撐保護(hù)[4- 6]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于菏澤市舊城鎮(zhèn)黃河段，目標(biāo)河流寬約100m，以平緩的曲線由南向北流動(dòng)。研究區(qū)主要分為三個(gè)區(qū)域:1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)，具體如圖1所示。

圖1 總體站點(diǎn)布局

1區(qū)位于場(chǎng)地的南部，長(zhǎng)約290m。該區(qū)域由陡峭的丘陵地形組成，且在多個(gè)位置有巖石露出。1區(qū)的典型剖面如圖2所示，大部分河岸斜坡非常陡峭。最近的一次邊坡破壞是從鐵路坡道的邊緣開始，一直延伸到河流的坡腳。此外，也有證據(jù)表明河岸在多個(gè)位置發(fā)生了河底侵蝕和坍塌。

圖2 1區(qū)的典型橫截面

2區(qū)位于1區(qū)附近的北部，與相對(duì)平坦的河流階地沉積物相鄰。該區(qū)域長(zhǎng)約440m，其橫截面如圖3所示。該區(qū)域主要由工業(yè)區(qū)組成，工業(yè)區(qū)包括一個(gè)填充臺(tái)階和沿河岸的填充斜坡。

圖3 2區(qū)的典型橫截面

2區(qū)以北的3區(qū)主要由住宅區(qū)和公園區(qū)組成，該區(qū)長(zhǎng)約320m，其橫截面如圖4所示。坡面主要分為三個(gè)部分，河坡、河岸和河岸線以上的區(qū)域。河岸的平均坡度約為3∶1，上坡坡度較平緩，平緩區(qū)域的寬度從3m到10m不等，住宅區(qū)距離河岸線約20m，河岸線放置了一些石頭和混凝土塊用來(lái)保護(hù)河岸不受侵蝕。

圖4 3區(qū)的典型橫截面

2 河床沉積物分析

通過(guò)巖土工程勘測(cè)，來(lái)識(shí)別土層中具有代表性的土壤參數(shù)，并用于邊坡穩(wěn)定性的評(píng)估。考慮了復(fù)雜的地形、地貌以及地質(zhì)情況。制定了一個(gè)研究區(qū)土壤鉆孔計(jì)劃，包括巖石取芯和地球物理數(shù)據(jù)的測(cè)量。其中，為了表征河岸斜坡的土壤剖面情況，在河流中鉆探了14個(gè)鉆孔，在高地上鉆探了16個(gè)鉆孔。

對(duì)采集的土樣進(jìn)行直接剪切和固結(jié)不排水的三軸試驗(yàn)。直接剪切試驗(yàn)的法向應(yīng)力荷載范圍為70～120kPa，三軸壓縮試驗(yàn)的壓力范圍為70～140kPa。此外，對(duì)收集的巖芯進(jìn)行點(diǎn)荷載和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

在1區(qū)南部的上斜坡觀察到暴露的巖石，并用全球定位系統(tǒng)記錄巖石的位置和狀況。巖土工程勘測(cè)數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)的土壤層情況變化很大，這在現(xiàn)實(shí)中場(chǎng)地的地貌和地形上也可以看出。2區(qū)基巖層較深，1區(qū)和3區(qū)的基巖層相對(duì)較淺。根據(jù)以上獲得的數(shù)據(jù)，建立了地下模型，該模型反映了1區(qū)縱剖面的巖石情況。為了識(shí)別對(duì)邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要的深基巖區(qū)域，根據(jù)地下模型、鉆孔數(shù)據(jù)和巖石裸露情況生成了巖層等高線圖。1區(qū)縱向剖面圖和巖層等高線圖如圖5所示。

圖5 1區(qū)縱向剖面和巖層等高線圖

總的來(lái)說(shuō)，該區(qū)域主要由冰川沉積、河流沖積、和基巖組成。如圖2所示，1區(qū)的堤岸由填料組成，下面是水平層狀的腐泥土層，該層主要是頁(yè)巖風(fēng)化形成的，下面是石灰?guī)r。填料由松散至中等密度的砂和礫石組成。風(fēng)化的頁(yè)巖極易發(fā)生邊坡破壞，具有腐泥土層的區(qū)域易發(fā)生深層整體破壞。2區(qū)高地由冰川沉積組成，該沉積層包含淤泥和軟砂質(zhì)淤泥，沉積層下面為頁(yè)巖。冰川沉積物的顏色為淺紅棕色，具有輕微塑性至中等塑性，河邊由非常軟的砂質(zhì)淤泥和沖積、沉積物組成。沖積、沉積層呈深灰棕色，具有輕微至中等塑性。類似地，3區(qū)的高地由粉砂、粉沙礫的沖積層和冰川沉積層混合組成。這些土壤較松散且密度中等，顏色為淺紅棕色。河邊土壤由非常軟的沖積、沉積物組成，沉積物由淤泥和砂組成，下面是頁(yè)巖層。

3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 土壤性能分析

根據(jù)土壤鉆孔數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試情況，為每個(gè)部分選擇初步的土壤參數(shù)。測(cè)試內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)以及巖芯的無(wú)側(cè)限壓縮和點(diǎn)荷載試驗(yàn)。1區(qū)的流動(dòng)性指數(shù)選擇范圍為0～-3，這表明土壤在受到擾動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生較大的強(qiáng)度損失。

使用二維極限平衡分析，假設(shè)安全系數(shù)為1，以邊坡現(xiàn)有的破壞情況為基礎(chǔ)，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。此外，考慮到邊坡的性能，對(duì)其他路段的土壤參數(shù)(圖2、圖3和圖5)進(jìn)行了改進(jìn)。與此同時(shí)，在邊坡上發(fā)現(xiàn)了淺層破壞的跡象，如傾斜的樹木和滑塌情況?；诖舜卧u(píng)估，得到了每個(gè)斜坡段的土壤參數(shù)，見表1。

表1 研究區(qū)土壤參數(shù)表

式中，γsat—飽和容重；γd—干容重；c′—有效內(nèi)聚力；φ′—摩擦角。

3.2 河岸穩(wěn)定性計(jì)算

本文采用的河岸穩(wěn)定性計(jì)算模型是一種極限平衡分析，除了正孔隙水壓力和負(fù)孔隙水壓力外，該模型還考慮了分層土壤、基于含水量的土壤單位重量變化以及水流產(chǎn)生的外部圍壓。該模型將河岸剖面劃分為最多5個(gè)具有獨(dú)特巖土特性的水平層如圖6所示。河岸安全系數(shù)(Fs)由以下等式給出：

(1)

圖6 河岸水平土層劃分

河岸失穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)力由河岸高度和坡度、土壤單位重量和其中的水質(zhì)量以及任何物體施加在河岸頂部的超載控制。阻力與驅(qū)動(dòng)力之比通常表示為安全系數(shù)(Fs)，其中大于1的值表示穩(wěn)定性，小于1的值表示不穩(wěn)定性。計(jì)算采用Excel宏計(jì)算，對(duì)三個(gè)區(qū)域河岸穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7—9所示，計(jì)算結(jié)果表明區(qū)域1—3的河岸安全系數(shù)Fs分別為0.99、1.28和2.10，其中區(qū)域1河岸處于臨界狀態(tài)，并且隨時(shí)會(huì)發(fā)生崩塌，因此需要對(duì)其進(jìn)行加固防護(hù)。

圖7 區(qū)域1河岸穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖8 區(qū)域2河岸穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖9 區(qū)域3河岸穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

4 河岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及加固方案設(shè)計(jì)

4.1 河岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

由于地形和地質(zhì)的變化，為整個(gè)河道整治工程選擇一種成本低且效益高的邊坡穩(wěn)定方法是不切實(shí)際的[7- 8]。因此，需要根據(jù)河流的具體情況進(jìn)行選擇，邊坡穩(wěn)定措施通常有板樁墻、組合墻、開挖和回填，除此之外還有土壤/巖石錨固，一般來(lái)說(shuō)，錨固措施是不需要長(zhǎng)期維護(hù)的非結(jié)構(gòu)解決方案的首選。在這些措施中，較為經(jīng)濟(jì)的方法是對(duì)被侵蝕的岸坡進(jìn)行臨時(shí)翻耕，并利用植被覆蓋的堆石進(jìn)行重建[9]。這種方法僅在非林區(qū)可行，而且需要與土地所有者進(jìn)行商談。與此同時(shí)，重建的部分需要在現(xiàn)有條件下易于恢復(fù)才予以考慮。

由上節(jié)計(jì)算可知，區(qū)域1、2的河岸較為穩(wěn)定，但是隨著河勢(shì)不斷變化也存在一定風(fēng)險(xiǎn)并且這兩個(gè)區(qū)域?yàn)榫用駞^(qū)以及工業(yè)區(qū)為人類活動(dòng)區(qū)域，因此對(duì)這兩個(gè)區(qū)域的河岸定期進(jìn)行坡度修整即可，而區(qū)域3的河岸處于臨界狀態(tài)，應(yīng)作為重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象，從地形圖中可以看出，區(qū)域3的一部分可以采取回填替換方案。因此，為位于3區(qū)河岸線約90m的邊坡選擇了回填替換方案。對(duì)于該區(qū)域的其余部分，采用一種具有結(jié)構(gòu)性的邊坡支護(hù)方法。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，板樁支護(hù)失效。主要原因是由于邊坡失穩(wěn)面延伸地過(guò)于靠近基巖頂部，板樁無(wú)法在趾部提供足夠的支撐力。

4.2 加固方案設(shè)計(jì)

加固樁已經(jīng)被廣泛用于穩(wěn)定邊坡中，該措施主要利用土的拱效應(yīng)來(lái)對(duì)邊坡進(jìn)行加固和支護(hù)。如果巖石層較淺，加固樁必須鉆入巖石中?？紤]到加固樁之間的拱起會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)并導(dǎo)致邊坡結(jié)構(gòu)的損壞，且為了不造成安全隱患，在加固樁之間使用護(hù)板進(jìn)而形成組合墻。由于組合墻和鋼筋樁等臨時(shí)支撐會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生腐蝕且強(qiáng)度會(huì)降低，因此需要采用一定的永久支撐。主要在河床中使用扶壁作為永久支撐，為清除沉積污染物的邊坡提供支護(hù)。同樣，持續(xù)的侵蝕可能會(huì)使組合墻暴露出來(lái)，這樣會(huì)使河岸線顯得不自然。為了河道周圍的自然條件，建議將鋼結(jié)構(gòu)放置在地面以下，并填充抗侵蝕的材料。

為了減少組合墻安裝時(shí)的鉆孔數(shù)量，選擇了較寬的中間板樁截面，將主樁之間的間距最大化，同時(shí)也為支護(hù)提供了所需的抗彎剛度。為了簡(jiǎn)化施工過(guò)程，加筋樁和組合墻的主樁采用了相同的截面形狀和截面面積。具體布置情況如圖10所示。

圖10 3區(qū)組合墻和加筋樁的布置圖

使用坡度/寬度對(duì)采用拋石置換的邊坡進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)邊坡穩(wěn)定的極限平衡理論確定了邊坡開挖的安全系數(shù)為1.25。為了恢復(fù)自然棲息地的原始面貌，河道邊坡最終選擇回填碎石和天然土壤來(lái)更換頂部的材料。由于替代的材料比原始土料具有更好的抗剪強(qiáng)度，因此，河道邊坡的穩(wěn)定性得到了一定程度的提高。圖11為3區(qū)部分區(qū)域斜坡的典型剖面圖，描繪了邊坡采用拋石置換措施的橫斷面情況。

圖11 3區(qū)采用拋石置換的邊坡剖面圖

由于施工現(xiàn)場(chǎng)的地形條件變化很大，為了使邊坡穩(wěn)定措施的設(shè)計(jì)和施工具有靈活性和可操作性且能夠依據(jù)客戶的要求縮短設(shè)計(jì)周期和施工周期，專門制定了基于實(shí)際情況的設(shè)計(jì)規(guī)范，其中包括巖土工程的結(jié)構(gòu)和荷載要求。

5 結(jié)語(yǔ)

一般情況下，河道的邊坡是相對(duì)穩(wěn)定的，但是如果改變河道邊坡的坡度，就可能造成邊坡失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡發(fā)生破壞。為了安全合理地清除河道邊坡中的沉積污染物并保證原有邊坡的穩(wěn)定，基于加固樁、組合墻等多種措施對(duì)施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。研究設(shè)計(jì)的邊坡支護(hù)方案雖然沒(méi)有提高河道原始邊坡的穩(wěn)定性，但保持了其原有的狀態(tài)，為污染物的安全移除和場(chǎng)地恢復(fù)提供了技術(shù)支持。