基于極限平衡法對(duì)淤泥質(zhì)航道邊坡穩(wěn)定性分析

王曉慶 中交廣州航道局有限公司

淤泥質(zhì)海岸深水航道建設(shè)的關(guān)鍵問題是控制航道的邊坡穩(wěn)定。海水通常以浪、流、潮等形式作用于淤泥質(zhì)的航道邊坡，受到動(dòng)荷載的強(qiáng)度和土體本身狀態(tài)的影響造成海底土體強(qiáng)度軟化、抗剪強(qiáng)度衰變，易引起有效應(yīng)力的降低，可能造成航道失穩(wěn)滑塌，從而改變航道幾何形狀。在實(shí)踐中一般通過鉆探定量評(píng)估邊坡穩(wěn)定系數(shù)，但是由于鉆探的局限性、邊坡的不均勻性以及航道開挖后應(yīng)力空間變異等導(dǎo)致工程后航道邊坡穩(wěn)定性存在很大的不確定性。本文基于極限平衡法對(duì)航道淺地層剖面測(cè)量，分析航道邊坡穩(wěn)定性，以期為航道疏浚維護(hù)、安全運(yùn)營(yíng)以及風(fēng)險(xiǎn)防控提供依據(jù)。

1.邊坡穩(wěn)定性觀測(cè)方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)用淺地層剖面儀對(duì)航道海域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)走航測(cè)量，淺地層剖面儀發(fā)射與接受信號(hào)為同一換能器，通過支架將儀器固定在船舷中部一側(cè)。航道測(cè)線間距60m，換能器吃水深度為1.5m，將GPS固定在安裝桿上，與換能器的直線距離為1.6 m，淺地層剖面儀的主頻采用兩個(gè)100kHz左右的頻率，利用差頻原理形成多個(gè)低頻，利用低頻的強(qiáng)穿透性來探測(cè)海底淺地層剖面。

1.2 計(jì)算方法

采用Geo-Slope軟件對(duì)航道邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，該軟件以極限平衡法為基礎(chǔ)，本文采用Janbu法計(jì)算航道邊坡的穩(wěn)定性。由于影響最終效果的主要因素是沉積層的性質(zhì)和外部動(dòng)力環(huán)境，根據(jù)航道空間位置，對(duì)淺地層剖面測(cè)量和航道測(cè)量邊坡統(tǒng)計(jì)分析，選取典型航道邊坡通過滑動(dòng)面的圓心及半徑搜索最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定系數(shù)分析，根據(jù)邊坡穩(wěn)定系數(shù)大小判別邊坡是否穩(wěn)定和穩(wěn)定程度。

2.觀測(cè)結(jié)果及分析

2.1 航道邊坡沉積層

航道邊坡沉積層性質(zhì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性具有決定性作用，因此分析其形成地質(zhì)背景，充分認(rèn)識(shí)航道邊坡沉積層垂向變化及性質(zhì)就顯得非常重要。根據(jù)淺地層剖面和項(xiàng)目地勘資料，確定各反射層對(duì)應(yīng)的地層，該港海底航道沉積物以淤泥質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土為主，其次為黏土、粘土質(zhì)粉砂。粘土質(zhì)粉砂呈灰色，可見有水平分層，航道大部分是淤泥質(zhì)粉砂，具有高壓縮性。粉砂質(zhì)粘土呈棕黃色，軟塑狀態(tài)，層理不清晰，有薄的粉土和沙土，可見粉質(zhì)土層和塊狀物的局部層，富含有機(jī)質(zhì)，具有中等壓縮性，強(qiáng)度不高，是一般的軟土層。淤泥質(zhì)海底航道開挖之后，由于航道邊坡沉積層受到切割，開挖面上的應(yīng)力得到釋放，含水量隨之增加，邊坡的粘聚力下降、內(nèi)摩擦角變小，航道邊坡的坡肩被海水水動(dòng)力改變。因此對(duì)航道邊坡穩(wěn)定性在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上采用分段或變邊坡處理。

2.2 波流作用下航道邊坡穩(wěn)定性分析

航道邊坡除受靜荷載外，還受波流的動(dòng)荷載作用，海水以流、浪等運(yùn)動(dòng)形式作用于航道斜坡，受動(dòng)荷載的強(qiáng)度和周期使航道沉積物內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力和孔隙水壓力而引起有效應(yīng)力降低。較強(qiáng)的海水動(dòng)水壓力在中密到疏松的土體中，將會(huì)產(chǎn)生周期變化的剪應(yīng)力，因而導(dǎo)致海底航道邊坡穩(wěn)定性下降。波浪對(duì)海底沉積物的作用表現(xiàn)為波浪荷載產(chǎn)生的動(dòng)水壓力和對(duì)海底沉積物的剪應(yīng)力，潮流對(duì)海底沉積物表現(xiàn)為剪應(yīng)力。波流的周期載荷還會(huì)造成土的強(qiáng)度和模量下降，孔隙壓力增高。表1為波流作用下該港海底航道邊坡安全系數(shù)表。

從表1可以看出施加波浪和潮流作用力后，航道邊坡安全系數(shù)降低，由于海水在滑脫面上的潤(rùn)滑作用以及孔隙壓力的作用，使航道邊坡滑脫面上的摩擦力大為減小，因此，使得航道穩(wěn)定性降低。航道邊坡安全系數(shù)在空間上與靜荷載下安全系數(shù)相似，外航道外段航道邊坡安全系數(shù)最大，外航道內(nèi)段航道邊坡穩(wěn)定性系數(shù)次之。根據(jù)該港航道海域“波浪掀沙、潮流輸沙”規(guī)律，近岸破波區(qū)內(nèi)側(cè)波浪掀沙作用強(qiáng)、海流多為順岸往復(fù)流，與航道夾角大，波流對(duì)航道邊坡作用力強(qiáng)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)較小。破波區(qū)外側(cè)波浪掀沙作用弱、海流多為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流，波流對(duì)航道邊坡作用力小，邊坡穩(wěn)定系數(shù)較大。

2.3.航道邊坡穩(wěn)定性分析

判別航道邊坡是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)是穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)極限平衡理論，海底航道邊坡失穩(wěn)滑塌肯定會(huì)存在一個(gè)極限平衡狀態(tài)的滑動(dòng)面，使滑體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，該滑動(dòng)面摩擦力較小，通常為層面、沉積界面或軟弱層，如軟塑的淤泥質(zhì)層。根據(jù)該港海底航道淺地層剖面探測(cè)和鉆探分析，航道存在單一均質(zhì)層、淤泥層夾雜、黏土軟弱層，因此，在對(duì)航道邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，按照均質(zhì)邊坡層、淤泥軟弱層、黏土層針對(duì)其抗剪強(qiáng)度的控制因素粘聚力和內(nèi)摩擦角利用 Geo-Slope 軟件分別計(jì)算不同邊坡、不同沉積性質(zhì)以及淤泥層所選滑面的安全系數(shù)(表2)。

表2為是典型邊坡1:7、1:10、變邊坡(上層1:10，下層1:5)、變邊坡(上層1:10，下層1:7)計(jì)算的航道邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，從中可以看出，邊坡不同安全系數(shù)不同，1:10邊坡安全系數(shù)最大，變邊坡安全系數(shù)與下層邊坡坡度關(guān)系較大，下層坡角越小，邊坡越穩(wěn)定。粉質(zhì)粘土層安全系數(shù)大于淤泥質(zhì)粘土層安全系數(shù)。從空間分布上看，外航道外段航道邊坡安全系數(shù)最大，外航道內(nèi)段航道邊坡安全系數(shù)次之。這與航道邊坡沉積層性質(zhì)空間分布較為一致，外航道內(nèi)段航道邊坡海相沉積淤泥厚，沉積層的流塑性和強(qiáng)度低，外航道外段航道邊坡海相沉積淤泥厚沉積變薄，沉積物粒度粗化，航道邊坡沉積層粒度略粗，淤泥質(zhì)分布不均勻。

表1 波流作用下海底航道邊坡安全系數(shù)邊坡坡度

表2 某淤泥質(zhì)海底行當(dāng)邊坡安全系數(shù)

4.結(jié)論

北方某港海底航道沉積層主要為河口三角洲沉積物，沉積物以淤泥質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土為主，其次為粉砂質(zhì)淤泥、粘土質(zhì)粉砂和粘土。淤泥質(zhì)海底航道開挖后，航道邊坡沉積層受到切割、航道邊坡坡肩被水動(dòng)力改造，坡肩附近被沖刷后，在自重力作用以及潮流的作用下進(jìn)入航道底部發(fā)生淤積，同時(shí)坡肩逐步被刷深，坡度變緩，坡階明顯。

利用 Geo-Slope軟件對(duì)該港海底航道邊坡在不同條件下的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，航道邊坡在靜荷載和動(dòng)荷載作用下基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，波流作用下航道邊坡比靜力作用下航道邊坡安全系數(shù)大大降低。