某二線船閘引航道開挖邊坡穩(wěn)定性分析與優(yōu)化

王志鵬 劉瑞華

摘 要：為研究高水位滲流和強(qiáng)降雨入滲對(duì)基坑開挖邊坡的穩(wěn)定性問題，以某二線船閘上游引航道開挖邊坡為例，采用GeoStudio軟件進(jìn)行計(jì)算分析，得出高水位滲流對(duì)開挖邊坡的穩(wěn)定性不利，強(qiáng)降雨入滲加劇了邊坡失穩(wěn)。基于此，提出減緩?fù)临|(zhì)邊坡開挖坡比和加寬土質(zhì)邊坡馬道兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，計(jì)算兩種方案在滲流和滲流加降雨條件下的邊坡安全系數(shù)，結(jié)果表明：兩優(yōu)化方案均在一定程度上強(qiáng)化了邊坡的穩(wěn)定性，但加寬?cǎi)R道方案的效果更好，上述研究可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：邊坡;降雨;滲流;安全系數(shù);優(yōu)化方案

隨著我國(guó)腹地經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水上運(yùn)輸?shù)男枨罅颗c日俱增，為此，需要提高航道等級(jí)和通航建筑物的建設(shè)，以提升內(nèi)河通航能力。提升航道等級(jí)的同時(shí)還需考慮提升船閘等級(jí)，目前提升船閘等級(jí)常用的方法是對(duì)船閘進(jìn)行改擴(kuò)建。船閘改擴(kuò)建過程中，邊坡開挖的穩(wěn)定性一直以來備受工程界關(guān)注，特別是在我國(guó)南方地區(qū)常出現(xiàn)因降雨和滲流而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的事件。

針對(duì)邊坡開挖的穩(wěn)定性問題，已有大量學(xué)者和工程人員進(jìn)行相關(guān)研究，汪映紅[1]基于某二線船閘工程，分析水位變化對(duì)邊坡的滲流與穩(wěn)定性影響;戴會(huì)超[2]對(duì)長(zhǎng)江三峽船閘工程邊坡進(jìn)行降雨入滲分析，得出高邊坡在連續(xù)降雨條件下滲流場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律;陳宏偉[3]建立一套邊坡在強(qiáng)降雨條件下的穩(wěn)定分析方法，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證分析。

上述研究中分別對(duì)邊坡滲流及邊坡降雨入滲問題進(jìn)行闡述和分析，而本文旨在研究滲流和降雨入滲共同條件下邊坡的穩(wěn)定性，并以某二線船閘上游引航道開挖邊坡工程為例，采用GeoStudio軟件分析邊坡在高水位滲流與強(qiáng)降雨入滲條件下的穩(wěn)定性，并提出兩種邊坡開挖優(yōu)化方案和比選，為相關(guān)工程提供參考。

1數(shù)值計(jì)算基本理論簡(jiǎn)介

1.1基本理論介紹

GeoStudio數(shù)值軟件對(duì)于邊坡的滲流和降雨穩(wěn)定性分析主要采用地下水滲流分析模塊（SEEP/W）[4]和邊坡穩(wěn)定分析模塊（SLOPE/W）[5]。SEEP/W模塊分析土體滲流與降雨問題主要是基于非飽和土體滲流計(jì)算理論，根據(jù)土體滲透系數(shù)與水位變化特征，分析土體中滲流規(guī)律與含水率的變化情況。SLOPE/W模塊分析邊坡穩(wěn)定性問題主要是基于極限平衡理論，將滑坡土體分割成n個(gè)小土條，根據(jù)每個(gè)土條的受力特征建立平衡方程，從而求得邊坡安全系數(shù)。本文對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析采用Morgenstern-Price法，該方法將土條間切向力T與法向力E的相互關(guān)系用函數(shù)表現(xiàn)出來，表達(dá)式為T=Eλf（x），f（x）為條間力函數(shù)。根據(jù)土條間的受力特征，如圖1所示（圖中dN、dUi、dS、dW分別為土條底部的有效法向力、孔隙水壓力、剪切力及重力），建立力平衡方程和力矩平衡方程，確定出T、E和Fs的相關(guān)關(guān)系，因切向力T與法向力E的函數(shù)表達(dá)式，得出λ與Fs的關(guān)系。假定一個(gè)λ值和Fs值，對(duì)土條進(jìn)行積分，得到滑坡面所有土條的力矩與條間力，若力矩與力的平衡條件無法滿足，改變?chǔ)撕虵s數(shù)值，進(jìn)行迭代，直至整體達(dá)到平衡要求，則達(dá)到平衡時(shí)的Fs數(shù)值為計(jì)算邊坡的安全系數(shù)Fs，如圖2所示。

2計(jì)算模型建立與工況選取

2.1 工程背景介紹

某二線船閘等級(jí)為Ⅲ級(jí)，閘室尺度為180m×23m×3.5m（長(zhǎng)×寬×門檻水深），擬建二線船閘上游引航道部位為原一線船閘基坑開挖棄土場(chǎng)，土質(zhì)較為松散，填筑土層高。該區(qū)域降雨時(shí)段長(zhǎng)，雨量豐富，常年降雨量在1150～1350mm，夏季雨量集中，多暴雨，降雨和滲流將進(jìn)一步對(duì)邊坡造成不利影響。本文選取該工程中上游引航道最不利計(jì)算斷面Ⅰ-Ⅰ進(jìn)行分析，如圖3所示。

2.2 計(jì)算模型建立與巖土參數(shù)的選取

本計(jì)算模型首先采用SEEP/W模塊建立模型，輸入滲流、降雨參數(shù)和邊界條件，計(jì)算模型中的浸潤(rùn)線;然后在SLOPE/W模塊輸入土體強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)，分析邊坡的穩(wěn)定性。模型計(jì)算域長(zhǎng)為80m、高為36m，其中邊坡分為三級(jí)，兩、三級(jí)坡高分別為5m和4.5m，坡比為1：1.5，一級(jí)坡高為7.6m，坡比為1：0.5，且每級(jí)邊坡間都有2m寬?cǎi)R道，如圖4所示。模型中左右側(cè)水位邊界條件選取地下水位和一線船閘上游水位。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，右側(cè)水位選取一線船閘上游十年一遇洪水位，數(shù)值為75.82m，左側(cè)水位選取坡底地下水位68.6m。

本工程地質(zhì)主要為填筑土、粉土、強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，其主要力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 計(jì)算工況的選擇

根據(jù)工程地區(qū)氣候特征和一線船閘運(yùn)行特征，擬建立兩種計(jì)算工況，工況一為十年一遇洪水位（上游水位為75.82m，下游水位為75.54m。）條件下，研究滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響;工況二結(jié)合當(dāng)?shù)亟鼉赡杲涤曩Y料，選取十年一遇洪水位和降雨強(qiáng)度為73.5mm/1d（暴雨），持續(xù)1.5天的條件，研究降雨和滲流共同作用下邊坡的穩(wěn)定性。

3 邊坡穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 原邊坡的穩(wěn)定性分析

根據(jù)工況一、二，計(jì)算得出邊坡安全系數(shù)，如圖5所示，可知該邊坡在滲流條件下，邊坡滑移面主要發(fā)生在填筑土層，邊坡安全系數(shù)為0.99;降雨與滲流共同作用下，邊坡滑移范圍增大，從填筑土層進(jìn)入了粉土層，邊坡安全系數(shù)降至0.952，降雨加劇了邊坡失穩(wěn)。根據(jù)《水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL645-2013）規(guī)定[6]，五級(jí)土石圍堰邊坡的安全系數(shù)為1.05，兩種工況下邊坡的安全系數(shù)均低于規(guī)范值，邊坡不穩(wěn)定，需要對(duì)原邊坡開挖方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.2邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)

方案一：根據(jù)邊坡滑坡面位置，提出對(duì)邊坡填筑土層和粉土層坡比進(jìn)行優(yōu)化，將二、三級(jí)坡開挖坡比優(yōu)化為1：2。

方案二：根據(jù)邊坡滑坡位置的特征，將二級(jí)坡與三級(jí)坡之間的馬道加寬至5m。

計(jì)算和分析上述兩種優(yōu)化方案下邊坡開挖邊坡的安全系數(shù)并比選出最佳優(yōu)化方案。

3.2.1邊坡安全特性分析

圖6為方案一的計(jì)算結(jié)果，由圖知，工況一與工況二的滑坡面均增大，但邊坡安全系數(shù)得到提高，工況一（滲流）邊坡安全系數(shù)提高至1.102;工況二（滲流、降雨）條件下邊坡安全系數(shù)提高至1.076。對(duì)比規(guī)范，該方案下邊坡在兩種工況下安全系數(shù)略大于規(guī)范值1.05。

圖7為方案二的計(jì)算結(jié)果，可知工況一條件下，邊坡滑坡面集中區(qū)小于方案一，安全系數(shù)增至1.243，安全系數(shù)明顯大于方案一;工況二下邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.181，同樣也明顯大于方案一。該優(yōu)化方案下邊坡安全系數(shù)明顯大于規(guī)范值，滿足邊坡穩(wěn)定要求。

4 結(jié)論

以某二線船閘上游引航道開挖邊坡工程為背景，計(jì)算出邊坡在高水位滲流下邊坡安全系數(shù)低于規(guī)范值，且降雨加劇了邊坡失穩(wěn)。基于此，提出兩種邊坡開挖優(yōu)化方案，方案一為放緩?fù)翆悠卤龋桨付榧訉捦翆娱g的馬道，兩方案均在一定程度上強(qiáng)化了邊坡的穩(wěn)定性，邊坡安全系數(shù)也滿足規(guī)范要求，但方案二的強(qiáng)化效果更顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪映紅，董城，陳樂.水位變化對(duì)臨河基坑邊坡穩(wěn)定性的影響[J].水運(yùn)工程，2019（03）：121-125.

[2]戴會(huì)超，朱岳明，田斌.三峽船閘高邊坡降雨入滲的三維數(shù)值仿真[J].巖土力學(xué)，2006（05）：749-753+758.

[3]陳宏偉，凌賢長(zhǎng).強(qiáng)降雨下土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].鐵道學(xué)報(bào)，2016，38（01）：103-110.

[4]GEO-SLOPE Iternational Ltd.著，中仿科技公司譯.非飽和土體滲流分析軟件SEEP/W用戶指南.北京：北京冶金工業(yè)出版社.2011.

[5]GEO-SLOPE Iternational Ltd.著，中仿科技公司譯.邊坡穩(wěn)定分析軟件SLOPE/W用戶指南. 北京：北京冶金工業(yè)出版社.2011.

[6] SL645-2013， 水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范[S].