不均勻地基條件下淤泥質(zhì)河道整治開(kāi)挖岸坡穩(wěn)定性分析

王啟凡,鐘琦皓,劉菲菲,蔣曉艷

(1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 常州分公司,江蘇 常州 213000;2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司,南京 210000;3.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 淮安 223001)

0 引 言

淤泥質(zhì)河道整治工程中,岸坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不僅會(huì)影響到施工質(zhì)量,同時(shí)也會(huì)對(duì)周邊水土環(huán)境產(chǎn)生影響。因此,為了保證淤泥質(zhì)河道整治工程的順利開(kāi)展,需要對(duì)河道岸坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過(guò)構(gòu)建分析模型,對(duì)岸坡結(jié)構(gòu)的演變情況進(jìn)行推演,為岸坡河道施工提供數(shù)據(jù)幫助。

文獻(xiàn)[1]以大體積岸坡作為研究對(duì)象,探究了水位升降因素對(duì)于岸坡穩(wěn)定程度的影響。文獻(xiàn)[2]通過(guò)構(gòu)建土水特征曲線,對(duì)不同巖質(zhì)結(jié)構(gòu)下的岸坡穩(wěn)定情況進(jìn)行了模擬分析。文獻(xiàn)[3]以碎石樁復(fù)合地基岸坡作為研究對(duì)象,探究了周期性潮位對(duì)于岸坡結(jié)構(gòu)的影響程度。文獻(xiàn)[4]采用層次分析理論,對(duì)影響岸坡結(jié)構(gòu)的相關(guān)因素進(jìn)行了歸納和分析。上述方法可在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)岸坡穩(wěn)定性的分析,但由于未考慮到巖土力學(xué)參數(shù)的影響,導(dǎo)致最終計(jì)算的岸坡位移值與實(shí)際值之間的差距較大,影響了最后的分析結(jié)果。

因此,為了對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化,本文以淤泥質(zhì)河道整治工程中的岸坡作為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)影響因素進(jìn)行歸納與分析,提出一種新型的分析方法,旨在優(yōu)化方法的分析性能,針對(duì)岸坡位移的演變情況進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

1 不均勻地基條件下淤泥質(zhì)河道整治開(kāi)挖岸坡穩(wěn)定性分析

1.1 不均勻地基條件下淤泥質(zhì)河道整治開(kāi)挖岸坡穩(wěn)定影響因素分析

在不均勻地基條件下,淤泥質(zhì)河道整治開(kāi)挖工程的岸坡穩(wěn)定性,會(huì)受到包括水文條件在內(nèi)的多種因素的影響。因此,為了分析岸坡穩(wěn)定性,本文首先針對(duì)岸坡穩(wěn)定影響因素進(jìn)行分析,明確不同因素對(duì)于岸坡穩(wěn)定性的影響程度,從而選定分析指標(biāo)[5]。

為此,本文通過(guò)建立岸坡幾何模型,探究巖土力學(xué)參數(shù)、水文條件以及邊坡幾何參數(shù),對(duì)于岸坡穩(wěn)定性的影響。首先,受到不均勻地基條件的影響,巖土力學(xué)參數(shù)是影響岸坡穩(wěn)定性的最直接因素。一般情況下,岸坡自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性呈正相關(guān)[6]。而影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的巖土力學(xué)參數(shù)主要包括內(nèi)部因素和外部因素,其中,內(nèi)部因素主要包括內(nèi)摩擦角、巖體抗拉強(qiáng)度、巖體黏聚力、彈性模量等;外部因素主要指的是岸坡結(jié)構(gòu)的外部環(huán)境影響因素。

為了便于分析,本文主要針對(duì)岸坡的內(nèi)部因素進(jìn)行分析與討論[7]。本文所構(gòu)建的岸坡幾何模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 岸坡幾何模型結(jié)構(gòu)圖

圖1中,H為岸坡坡高;α為岸坡坡角;β為結(jié)構(gòu)面傾斜角度。

為了探究不同的幾何參數(shù)對(duì)于岸坡穩(wěn)定性的影響,上述3種幾何參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 岸坡幾何參數(shù)取值

以上述岸坡模型的幾何參數(shù)作為輸入變量,將其輸入Geo-static軟件中進(jìn)行模擬分析,通過(guò)計(jì)算不同坡度下的安全系數(shù),比較不同因素對(duì)于岸坡穩(wěn)定性的影響程度。首先計(jì)算岸坡結(jié)構(gòu)的綜合安全系數(shù),公式如下:

(1)

式中:ks為岸坡結(jié)構(gòu)的綜合安全系數(shù);kb為淤泥質(zhì)河道土體的折減系數(shù);kc為淤泥質(zhì)河道土體的強(qiáng)度衰減系數(shù)。

通過(guò)上述步驟,即可計(jì)算出不同幾何參數(shù)下的岸坡綜合安全系數(shù)。由于巖層結(jié)構(gòu)面傾角與岸坡坡角對(duì)于岸坡穩(wěn)定性影響程度之間的差異較小,因此本文僅選取坡高以及岸坡坡角兩個(gè)幾何參數(shù)用于分析。將表1中的邊坡幾何參數(shù)輸入分析模型中,得到的關(guān)系圖見(jiàn)圖2[8]。

圖2 坡度與岸坡安全系數(shù)的關(guān)系

由圖2可知,當(dāng)岸坡的巖層傾角為固定值時(shí),在不同坡高條件下,安全系數(shù)與坡度呈負(fù)相關(guān),即坡度越大,岸坡的穩(wěn)定性也就越差[9]。這主要是由于當(dāng)岸坡的坡度超過(guò)岸坡土體內(nèi)摩擦角時(shí),岸坡土體表面的下滑力要遠(yuǎn)高于摩擦力的承受范圍,因此易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)情況。

坡高與安全系數(shù)之間的關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖3可知,在巖層傾斜角度一定時(shí),坡高與岸坡安全系數(shù)呈負(fù)相關(guān),即坡高越高,岸坡的穩(wěn)定性越差。這主要是由于隨著岸坡高度的增加,岸坡底部的應(yīng)力越集中,越容易出現(xiàn)局部失穩(wěn)的情況[10]。

圖3 坡高與岸坡安全系數(shù)的關(guān)系

上述分析表明,岸坡幾何參數(shù)與岸坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān),研究結(jié)果可為后續(xù)岸坡穩(wěn)定性分析提供幫助。

1.2 岸坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)選取

在完成岸坡穩(wěn)定性影響因素分析后,根據(jù)上述分析結(jié)果,對(duì)岸坡穩(wěn)定性的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行選取,用于后續(xù)的穩(wěn)定性分析。由于岸坡內(nèi)部存在土體滲流情況,而滲流程度對(duì)于岸坡的穩(wěn)定性也有一定影響。因此,為了分析岸坡穩(wěn)定性,本文結(jié)合岸坡內(nèi)部土水特征曲線,構(gòu)建岸坡土體基質(zhì)吸力預(yù)測(cè)方程。方程表達(dá)式如下:

(2)

(3)

式中:Q為岸坡內(nèi)部土體的體積含水量;θS為土體內(nèi)部基質(zhì)吸力;φ為基質(zhì)吸力參數(shù);n為岸坡內(nèi)部土體水流出率對(duì)應(yīng)的土性參數(shù);m為土體所吸收的水體對(duì)應(yīng)的水流出率土性參數(shù);a為土體進(jìn)氣值對(duì)應(yīng)的土性參數(shù);φr為土體內(nèi)部水體流失量對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力。

通過(guò)上述步驟,即可構(gòu)建岸坡土體基質(zhì)吸力預(yù)測(cè)方程,對(duì)基質(zhì)吸力情況進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。除了土體滲流情況以外,在不均勻地基條件下,岸坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的土體均處于非飽和狀態(tài),因此土體中會(huì)存在氣體。研究表明。內(nèi)部存在氣體的土體比飽和狀態(tài)下的土體滲透程度更低,而土體滲透程度也會(huì)直接影響岸坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[11]。同時(shí),土體的滲透程度與土體基質(zhì)吸力一樣,均會(huì)隨著內(nèi)部水分含量的變化而產(chǎn)生波動(dòng)。因此,可以通過(guò)構(gòu)建滲透系數(shù)與土體含水量之間的函數(shù)關(guān)系,探究滲透系數(shù)對(duì)于岸坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。函數(shù)表達(dá)式如下:

(4)

式中:kw為岸坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)中土體的滲透系數(shù);kp為飽和狀態(tài)下的土體滲透系數(shù);y為虛擬積分變量;ψ為土體飽和狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力差值;Q′為土體內(nèi)部體積含水量對(duì)應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)。

基于上述對(duì)土體滲透系數(shù)以及內(nèi)部基質(zhì)吸力的分析,本文選定的基本參數(shù)以及相關(guān)取值見(jiàn)表2[12]。

表2 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)及描述

通過(guò)上述步驟,即可選取出關(guān)于岸坡穩(wěn)定性的相關(guān)計(jì)算參數(shù)。通過(guò)對(duì)土體滲流情況和土質(zhì)滲透系數(shù)進(jìn)行分析,得到相關(guān)計(jì)算參數(shù)變量,為后續(xù)的穩(wěn)定性分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1.3 岸坡穩(wěn)定性分析

通過(guò)上述岸坡穩(wěn)定影響因素分析可知,岸坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與其內(nèi)部的水體壓力有一定關(guān)系。因此,本文假設(shè)淤泥質(zhì)河道整治開(kāi)挖岸坡受到的壓力為靜水壓力,具體示意圖見(jiàn)圖4[13]。

圖4 岸坡靜水壓力假設(shè)

考慮到岸坡土體的滲透力會(huì)施加在水體的滑移平面上方,為了便于分析,本文將土體滲透力的施壓方向設(shè)為垂直方向,由此可以計(jì)算出凈水壓力值。計(jì)算公式如下:

(5)

式中:P為河道岸坡平面受到的靜水壓力;h為岸坡高度;γw為靜水施力參數(shù)。

在完成靜水壓力假設(shè)后,結(jié)合反分析理論,對(duì)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行求解,從而實(shí)現(xiàn)岸坡穩(wěn)定性分析。因此,本文以上文選定的穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)作為輸入變量,構(gòu)建因素分析表達(dá)式。具體公式如下:

S=f(E,c,φ,v,D,T)

(6)

式中:S為岸坡位移量;E、c、φ、v、D、T分別為對(duì)應(yīng)表2中的穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)。

結(jié)合式(6)的計(jì)算結(jié)果,本文構(gòu)建岸坡穩(wěn)定性分析指標(biāo),具體指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 岸坡穩(wěn)定性分析指標(biāo)

通過(guò)上述步驟,即可構(gòu)建出淤泥質(zhì)河道整治開(kāi)挖岸坡穩(wěn)定性分析指標(biāo)。通過(guò)計(jì)算岸坡位移量以及具體穩(wěn)定性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)對(duì)于岸坡的穩(wěn)定性分析[14]。

通過(guò)上述步驟,即可完成對(duì)岸坡穩(wěn)定性的分析。通過(guò)對(duì)岸坡靜水壓力進(jìn)行假設(shè),對(duì)岸坡位移量進(jìn)行求解,并構(gòu)建出岸坡穩(wěn)定性分析指標(biāo),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性分級(jí)。將本節(jié)內(nèi)容與上述提到的穩(wěn)定因素分析以及計(jì)算參數(shù)選取等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合,至此,不均勻地基條件下淤泥質(zhì)河道整治開(kāi)挖岸坡穩(wěn)定性分析方法設(shè)計(jì)完成[15]。

2 試驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證本文提出的不均勻地基條件下淤泥質(zhì)河道整治開(kāi)挖岸坡穩(wěn)定性分析方法的分析效果,優(yōu)于常規(guī)淤泥質(zhì)河道整治開(kāi)挖岸坡穩(wěn)定性分析方法,在理論部分設(shè)計(jì)完成后,構(gòu)建試驗(yàn)環(huán)節(jié),檢驗(yàn)本文方法的分析預(yù)測(cè)效果。

2.1 試驗(yàn)說(shuō)明

為了驗(yàn)證本文提出的不均勻地基條件下淤泥質(zhì)河道整治開(kāi)挖岸坡穩(wěn)定性分析方法的有效性,本次試驗(yàn)選取兩種常規(guī)的河道岸坡穩(wěn)定性分析方法作為對(duì)比對(duì)象,分別為基于模糊評(píng)價(jià)法的河道岸坡穩(wěn)定性分析方法及基于層次分析法的河道岸坡穩(wěn)定性分析方法。通過(guò)構(gòu)建試驗(yàn)平臺(tái),采用3種分析方法,對(duì)同一組模型的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,對(duì)比不同分析方法的實(shí)際分析性能。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次選取的試驗(yàn)對(duì)象為某經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的河道整治工程。該工程區(qū)域的河道施工采用圍堰施工的方式,圍堰采用填土堤芯,袋裝土護(hù)坡和護(hù)面,考慮非汛期施工,圍堰頂高程按河道常水位上限3.80m加0.50m超高確定為4.30m,圍堰頂寬2m(主河分段圍堰頂寬2m,頂高3.80m;支河圍堰頂寬1.5m,頂高3.80m),圍堰臨水側(cè)邊坡1:2,背水側(cè)邊坡1:1.5。

該地區(qū)所在區(qū)域?qū)匍L(zhǎng)江下游沖積平原,總體地勢(shì)低洼平坦。其中,地面高程低于5.8m的面積約95.7km2,占境內(nèi)總面積的52.8%;低于6.08m的面積約106.8km2,占比58.9%。

本次試驗(yàn)主要針對(duì)工程中的河道岸坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。河道岸坡施工圖見(jiàn)圖5。

圖5 岸坡施工現(xiàn)場(chǎng)圖

為了對(duì)上述施工工況中的岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,通過(guò)實(shí)地考察,提取岸坡各土層的相關(guān)參數(shù),最終確定該岸坡的土層結(jié)構(gòu)除了表層的施工面板以外,一共包括4層,分別為素填土、砂礫、淤泥質(zhì)土以及強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖。各土層的強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 土層強(qiáng)化參數(shù)

根據(jù)上述土層強(qiáng)化參數(shù),采用模擬軟件MATLAB,構(gòu)建河道岸坡模型,分別采用不同的穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行分析,岸坡模型的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 河道岸坡模型結(jié)構(gòu)圖

為了提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,本次選取3種不同的工況用于試驗(yàn)分析,每種工況的面板荷載均有所不同。其中,工況一的面板荷載力為30kPa;工況二的面板荷載力為45kPa;工況三的面板荷載力為60kPa。通過(guò)針對(duì)3種不同工況下的河道岸坡模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析,對(duì)比不同分析方法對(duì)于岸坡位移值的計(jì)算性能。

2.3 分析性能對(duì)比結(jié)果

本次對(duì)比試驗(yàn)選取的對(duì)比指標(biāo)為不同分析方法對(duì)于岸坡位移值的計(jì)算精度,具體衡量指標(biāo)為岸坡位移誤差值,該值越低,表明方法的分析性能越好。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7-圖9。

圖7 工況一的岸坡位移誤差對(duì)比結(jié)果

圖8 工況二的岸坡位移誤差對(duì)比結(jié)果

圖9 工況三的岸坡位移誤差對(duì)比結(jié)果

由圖7-圖9可知,在針對(duì)荷載條件下的岸坡模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí),不同方法對(duì)于位移的計(jì)算精度有所不同,且位移誤差隨著荷載力的增大而不斷增大。通過(guò)數(shù)值對(duì)比可以看出,本文提出的不均勻地基條件下淤泥質(zhì)河道整治開(kāi)挖岸坡穩(wěn)定性分析方法,具備更高的分析精度,其位移誤差值明顯低于兩種傳統(tǒng)分析方法計(jì)算的位移值,且誤差值不會(huì)隨著荷載力的變化出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng),表明本文提出的岸坡穩(wěn)定性分析方法的分析性能優(yōu)于常規(guī)的分析方法。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)常規(guī)河道岸坡穩(wěn)定性分析方法對(duì)于岸坡位移值計(jì)算誤差較大問(wèn)題,本文通過(guò)分析岸坡穩(wěn)定影響因素,提出了一種新型的岸坡穩(wěn)定性分析方法。試驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法能夠針對(duì)岸坡的位移值進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。