潮位漲落對岸坡深層土體水平位移的影響

□文/吳 剛 陳柏州

大型充填袋由于在軟基上構筑施工適應力強、施工速度快，在碼頭護岸工程中得到了廣泛的應用。在碼頭施工過程中，由于挖泥和打樁對土體擾動的影響，岸坡穩定性問題顯得格外突出。其中土體的內摩擦角、粘聚力、岸坡的坡度以及水位的變化等都是影響岸坡穩定性的重要因素，與一般的堤防工程相比，天津地區碼頭岸坡受潮汐漲落影響明顯，不存在常水位，水位的變化隨著潮汐漲落會達到2～4 m的落差。水位下降時產生的滲流作用以及引起的孔隙水壓力很可能引起岸坡失穩，而在岸坡穩定監測過程中，岸坡失穩最直觀的表現就是深層土體水平位移突變，呈現急劇增大的趨勢。

伴隨著我國港口水運工程的快速發展，在大力建設港口碼頭的過程中，邊坡失穩現象時有發生，關于影響岸坡失穩的原因分析研究成果也較多。本文主要針對天津地區通過大型充填袋形成的岸坡在受潮位漲落時深層土體水平位移進行分析，比較高潮和低潮時位移的大小，進而得出低潮時為岸坡穩定最不利時段的結論。

1 邊坡穩定分析

1.1 計算方法

圓弧滑動條分析法是目前工程實踐中分析粘性土邊坡穩定性廣泛使用的方法。此法把滑動面簡單地當做是圓弧，雖然不能完全符合實際，但由于其計算概念簡明且能分析復雜條件下邊坡的穩定性，所以在工程實踐中普遍使用并積累了豐富的經驗。

工程實踐中為了簡化計算，常假定i土條兩側Pi、Hi的合力與Pi+1、Hi+1的合力大小相等方向相反且他們的作用線重合。利用土條的靜力平衡條件可求得

式中：αi為滑弧中心與圓心垂線夾角；Wi為i土條的重力；γi為土的重度；hi為土條的中心高度；bi為土條的寬度；Ni為法線方向分力；Ti為坡面方向的分力。

可求得邊坡的穩定安全系數

式中：Ci為總強度指標。

這就是被廣泛應用的瑞典圓弧條分法計算公式，見圖1。

圖1 條分法計算

1.2 水位降落期的邊坡穩定分析

當岸坡前水位隨著潮位的漲落，土體粘性土滲透性低，其中水分來不及泄出而仍處于飽和狀態，降落水位線與浸潤線水位之間的土由浮重度變為飽和重度，見圖2。此時重力增加使土發生壓縮變形，引起孔隙水壓力。

圖2 潮水水位降落

如采用有效應力法分析時，先估算水位降落后的孔隙水壓力。如圖2所示，水位降落前，滑弧上達到穩定滲流后在任意點A引起的孔隙水壓力為

水位降落至A點以下時，A點的孔隙水壓力為

水位降落前A點的總垂直應力

水位降落后A點的總垂直應力

這樣可求得水位降落前后A點的應力變化為

求得水位降落后A點的孔隙水壓力為

式中：h為A點以上土的高度；hω為B點以上水柱高度；h'為水位降落前滲流至A點水頭損失；γω為水的重度；γsat為土的飽和重度；為孔隙水壓力系數；△σA為A點的應力變化。

結合瑞典圓弧條分法計算公式，即可按有效應力法計算水位降落期邊坡穩定的安全系數。

2 岸坡土體深層水平位移計算方法

2.1 基本原理

埋設ABS測斜管并采用美國進口基康自動采集數字測斜儀進行深層土體水平位移數據采集，見圖3。

圖3 測斜管埋設

測斜管埋設完畢后，測定導管的初始位置值，當土層發生側向位移時，測斜管也會相應的產生形變。將測斜儀探頭沿測斜管導槽底部自下而上每隔50 cm測得讀數并提拉而上，直至孔口測完各個讀數X0，然后將探頭取出旋轉180°按照同樣的方法測得X180，X0～X180為X方向在各部位的讀數差。通過比較各位置的讀數差與初始值，可求得各位置的相對位移變化量，即差數。對差數求和求得位移量，最后對同一位置的位移矢量合成，可求得沿深度的位移量。

在土中預埋一根測斜管分成幾節，彼此用接頭連接，使整個測斜管能隨地基變形。變形后每節測斜管都有一個傾斜度αi，傾斜度的變化在測斜管兩端產生了相應的水平位移差δi，有

式中：Li為第i節測斜管的長度，取相鄰的兩個頭的中心距離，常取一整數，如50 cm或100 cm，本次監測工作取50 cm。

整根測斜管兩端的土體水平位移差可表示為

當測斜管的埋設深度足夠時，測斜管底認為是不動的，本次管底埋深約30 m，△n即為測斜管頂的水平位移值。

在測斜管兩端都有水平位移的情況下，就需要實測測斜管頂的位移量并向下推求測斜管底的水平位移量

每次量測后應繪制深層土體水平位移隨時間變化曲線并繪制深層土體最大水平位移隨時間變化曲線圖。

2.2 實際工程數據分析

天津臨港高沙嶺港區新型建材產業基地通用碼頭工程，現場監測儀器埋設在碼頭后方擋土墻附近，測斜管采用鉆孔埋設。目前工程主體已完工，現場基本沒有工況，可以認為深層土體水平位移主要受潮水漲落的影響而發生變化。

本次2組深層土體水平位移數據采集通過連續6 d現場測量獲得，6 d內根據最新潮汐表選擇每天最高潮位和最低潮位時間段進行數據采集。參考潮汐表并通過現場水位測量可以知道，6 d內潮汐水位在80～360 cm之間波動，一天內最大水位差達到280 cm左右。

對于兩組測斜，為了掌握不同深度土體水平位移的變化情況，分別選取標高-15.00、-7.00、0.50 m的深層土體水平位移數據進行分析，見表1。

表1 水平位移情況

2017年4月15日—4月20日之間，根據不同標高土體在每天高潮和低潮時的水平位移量變化情況繪制了位移隨時間變化曲線，見圖4-圖9。

圖4 1號測斜標高0.50 m土體水平位移隨時間變化曲線

圖5 1號測斜標高-7.00 m土體水平位移隨時間變化曲線

圖6 1號測斜標高-15.00 m土體水平位移隨時間變化曲線

圖7 2號測斜標高0.50 m土體水平位移隨時間變化曲線

圖8 2號測斜標高-7.00 m土體水平位移隨時間變化曲線

圖9 2號測斜標高-15.00 m土體水平位移隨時間變化曲線

由圖4-圖9可以看出，在每天低潮時深層土體水平位移均為海側位移，高潮時為陸側位移。連續幾天的變化均表明，在沒有其他工況的情況下，岸坡深層土體水平位移主要受高低潮位影響，每天的位移變化區間隨高低潮位的變化在一個正常的范圍區間內波動，連續6 d的變化趨勢均表明低潮時為岸坡最不利時段。

通過1號測斜和2號測斜曲線對比可以看出，對于不同標高的深層土體水平位移，在0.50 m標高時，土體水平位移變化幅度在-2.56～2.19 mm之間；在-7.00 m標高的時候，土體水平位移變化幅度在-1.97～1.87 mm之間；在-15.00 m標高的時候，土體水平位移變化幅度在-0.82～0.85 mm之間。根據曲線圖位移峰值的波動，結合位移觀測數據，表明埋深越大的土體水平位移變化幅度越小，土體越穩定。這也是對岸坡土體圓滑弧理論一個間接性的說明。

3 結論

1）高低潮位對岸坡穩定性有一定的影響，在潮漲潮落過程中，降落水位線與浸潤線水位之間的土由浮重度變為飽和重度，重力增加使土發生壓縮變形，進而使深層土體水平位移發生變化。

2）本文通過實際工程案例表明，在岸坡穩定監測時，應該選取當天最低潮位也就是岸坡穩定最不利時間段進行觀測，這樣采集到的監測數據即為當天深層土體水平位移最大值，更有利于對現場施工的安全性進行評判，特別是在碼頭挖泥及打樁施工時岸坡穩定尤其重點監測。

3）本文在進行岸坡穩定性分析時候，把滑動面簡單地當做是圓弧進行假設并且選取的實際工程也是在天津地區針對大型充填袋形成的岸坡，雖然具有一定的局限性，但是計算方法及研究思路同樣適用于其他碼頭邊坡穩定性分析。

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