莆田市涵江區(qū)群英河邊坡治理方案比選

陳義軍 王貴南 熊中恒 陳昌澤

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 3.浙江華東工程建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，莆田市人口越來(lái)越密集，這也加快了城區(qū)內(nèi)河流的污染速度，在河流全線(xiàn)清淤過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生邊坡問(wèn)題，因此城市中內(nèi)河的邊坡問(wèn)題也值得我們?nèi)タ紤]。城區(qū)邊坡如果發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，輕則影響減緩清淤工程的進(jìn)展及交通運(yùn)輸，阻礙人們的生產(chǎn)生活，重則造成人員傷害，危害人們的人身財(cái)產(chǎn)安全。目前，邊坡穩(wěn)定性分析一是定性分析，二是定量分析。滑坡治理措施日益成熟，常見(jiàn)的有錨桿錨索、抗滑樁，擋墻等等。劉建等[1]使用極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性，并采用錨桿錨索及抗滑樁組合支護(hù)對(duì)邊坡加固。楊洪福[2]利用MIDAS有限元模型分析高速公路高邊坡治理工程，最后選用出合理角度的削坡加錨桿支護(hù)的治理方案。謝武軍等[3]結(jié)合某一河岸高邊坡實(shí)例，運(yùn)用Slide和Flac3D進(jìn)行建模和計(jì)算分析。劉向上等[4]利用Midas/GTS NX對(duì)某一露天礦山邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，綜合考慮影響邊坡穩(wěn)定的各種因素，建立一個(gè)測(cè)度理論，為邊坡穩(wěn)定性分析提供科學(xué)、可靠的方法。

福建省莆田市涵江區(qū)群英河淤泥黑臭問(wèn)題日益凸顯，涵江區(qū)委決定實(shí)施清淤工程。基于上述學(xué)者們對(duì)邊坡數(shù)值分析研究和成功支護(hù)邊坡方案例子，對(duì)群英河邊坡支護(hù)治理進(jìn)行數(shù)值模擬分析，提出支護(hù)方案使邊坡穩(wěn)定，以免在清淤過(guò)程中給施工人員造成傷害。本文采用三維有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)群英河存在失穩(wěn)的邊坡進(jìn)行支護(hù)，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比兩種支護(hù)方案的合理性與有效性，對(duì)于莆田市地區(qū)今后類(lèi)似的工程有借鑒性意義。

1 邊坡工程概況

1.1 工程背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，再加上莆田市處于沿海地區(qū)，風(fēng)景優(yōu)美，來(lái)此經(jīng)商、居住的人也越來(lái)越多，因此帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題就更加引起人們的關(guān)注。城區(qū)內(nèi)的河流水系繁雜，河內(nèi)淤泥的增多，黑臭問(wèn)題嚴(yán)重。莆田市為吸引更多游客和來(lái)此經(jīng)商的人，決定實(shí)施清淤工程，在群英河清淤過(guò)程中，必須對(duì)岸坡進(jìn)行支護(hù)，防止危害施工人員的人身安全。

群英河河道較窄，河道內(nèi)淤泥沉積厚度0.5 m～2.5 m。河水也受到污染，顏色發(fā)黑，河道兩邊建筑密集，大多是居民房。河道護(hù)岸直立，右岸為漿砌石擋墻，擋墻質(zhì)量完好，左岸部分條石外露，被河水浸泡侵蝕，強(qiáng)度有所降低。河岸有些地方緊鄰居民樓。河道淤泥發(fā)黑發(fā)臭，混合有生活垃圾及石塊顆粒。河道內(nèi)淤泥黑臭問(wèn)題嚴(yán)重影響市政面貌環(huán)境和周?chē)用裾５纳钇鹁?見(jiàn)圖1)。

1.2 場(chǎng)地位置

涵江區(qū)位于福建省莆田市，地處東北部、福建沿海中部。群英河是涵江城區(qū)重要的內(nèi)河，群英河位于涵江區(qū)西街道，涵華西路以北，塘北街以西。工程場(chǎng)地屬于海陸交互地帶，地形平坦，地勢(shì)北部稍高。

群英河自六一西路暗涵流出，向南途徑閩中水產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)直至塘北街、安達(dá)路交匯處，再流入梧梓河，全長(zhǎng)730 m，河寬5 m～30 m，水深0.3 m～1.5 m，底部有淤泥混有大量城市垃圾。群英河位于城市建成區(qū)，周邊多為民房，兩岸均已建漿砌石擋墻，均采用的是淺基礎(chǔ)。

1.3 巖土層分布特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探成果，搜集資料及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪成果，場(chǎng)地覆蓋層主要有雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、粉質(zhì)黏土、粗砂、粉質(zhì)黏土、殘積黏性土。

⑦殘積砂質(zhì)黏性土(Qel)：以黃褐色、灰黃為主，干強(qiáng)度中等，韌性低，本層在場(chǎng)地均有揭露，未揭穿，揭露厚度1.80 m～9.70 m，平均厚度4.29 m，本層進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)7次，實(shí)測(cè)擊數(shù)12擊～18擊，平均值12.1擊，標(biāo)準(zhǔn)值11.0擊。該場(chǎng)地土層參數(shù)及支護(hù)剖面如表1和圖2所示。

表1 土層參數(shù)

2 邊皮支護(hù)三維有限元模擬

2.1 邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)施工的材料有兩種支護(hù)方案，方案一是在距離擋土墻邊3 m，采用6 m的松木樁進(jìn)行支護(hù)，松木樁是用松木制作的木樁，主要用于處理軟地基、河堤等，原料為松木。松木樁緊密排列，橫截面為實(shí)心圓形，樁徑200 mm，清淤后塊石回填。方案二是在距離擋墻3 m，采用6 m塑鋼板樁支護(hù)，樁截面為U型，寬度400 mm，厚度為100 mm，間隔2 m。擋墻附近3 m清淤30 cm后塊石回填。

2.2 有限元模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的勘察，以及參照同地區(qū)相似邊坡已有的工程資料，劃分出各土層的平均厚度，岸坡一方選用土層總厚度11.3 m，河道一方選用土層總厚度9 m，橫向?qū)挾?5.7 m。

本模型采用有限元的一般假設(shè)，對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行假設(shè)，邊坡模型按照勘察資料，共有7個(gè)土層，土層分別是雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、粉質(zhì)黏土、中砂、粉質(zhì)黏土、殘積黏性土。

GTS NX(New eXperience of Geo-Technical analysis System)是一款針對(duì)巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件。Midas/GTS NX相對(duì)于Flac3D[5]建模的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，廣泛適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實(shí)際工程的準(zhǔn)確建模與分析。使用Midas/GTS NX建立3D的單元網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的原則是邊坡坡面處以及支護(hù)坡面處稍微密集，網(wǎng)格間距為1 m；邊界稍微稀疏，網(wǎng)格間距為1.5 m；中間部分網(wǎng)格從1 m到1.5 m過(guò)渡，3種網(wǎng)格劃分狀態(tài)。根據(jù)勘察資料，本文邊坡巖土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表2所示。

表2 場(chǎng)地地層參數(shù)

2.3 有限元模型信息

依據(jù)已知土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)，計(jì)算分析使用不同支護(hù)樁下沉降位移云圖。考慮到模型尺寸和邊界條件，兩種支護(hù)方案模型尺寸大小為長(zhǎng)25.7 m，邊坡一側(cè)高為11.3 m，河道一側(cè)高9 m松木樁和塑鋼板樁的長(zhǎng)度都是6 m。

邁達(dá)斯[6]網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)：松木樁[7]支護(hù)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)有1 614個(gè)，單元數(shù)量有1 250個(gè)。塑鋼板樁支護(hù)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)有1 614個(gè)，單元數(shù)量有1 250個(gè)，如圖3所示。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)三維有限元模型，分析了清淤完成后兩種支護(hù)方案下的位移變化包括豎向的和水平向的，提取了兩種方案狀態(tài)下豎向位移云圖(Z)以及水平方向位移云圖(X)(見(jiàn)圖4～圖7)。

通過(guò)觀(guān)察兩個(gè)方案的豎向位移云圖(Z)以及水平方向位移云圖(X)可知方案一的豎向位移最大值為10.86 mm，而方案二最大豎向位移為10.85 mm。由此可以看出兩種方案的豎向位移相差僅0.01 mm，不同樁支護(hù)下豎向位移距離相近。觀(guān)察兩個(gè)方案的水平方向最大位移方案一朝向邊坡臨空面方向的位移為0.855 mm，而方案二朝向邊坡臨空面方向的位移為0.782 mm。方案一背向邊坡臨空面方向的位移為0.264 mm。方案二背向邊坡臨空面方向的位移為0.181 mm。由圖可知支護(hù)樁的存在，阻止了邊坡的水平位移。達(dá)到了防止邊坡位移，使邊坡穩(wěn)定的目的。

2.5 兩個(gè)方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比

兩種方案的經(jīng)濟(jì)投入分別是方案一使用大約5 668根松木樁，每根松木樁單價(jià)是200元左右，合計(jì)總投入113萬(wàn)元左右。方案二使用大約895根塑鋼板樁，每根塑鋼板樁單價(jià)2 500元左右，合計(jì)投入230萬(wàn)元左右。經(jīng)對(duì)比，方案一經(jīng)濟(jì)投入小于方案二。

3 邊坡安全系數(shù)計(jì)算

群英河邊坡高度小于5 m，屬于三級(jí)邊坡[8]。三級(jí)邊坡的一般工況安全系數(shù)為1.25。使用GeoStudio[9,10]軟件對(duì)清淤完成后工況的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見(jiàn)圖8,圖9。

對(duì)比以上兩個(gè)支護(hù)方案，使用有限元分析軟件計(jì)算出的安全系數(shù)分別是松木樁支護(hù)的安全系數(shù)為1.26，塑鋼板樁支護(hù)的安全系數(shù)為1.29，可以看出使用塑鋼板樁比使用松木樁的安全系數(shù)要高。但是兩者都大于邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)1.25，所以都是安全可行的。

4 結(jié)論

通過(guò)使用有限元分析軟件分析兩種支護(hù)方案，得出以下結(jié)論：

1)對(duì)比兩個(gè)方案的邊坡沉降位移和水平位移：方案一的豎向沉降位移10.86 mm，方案二的豎向沉降位移是10.85 mm，在這一方面兩者幾乎相同，支護(hù)類(lèi)型對(duì)于豎向沉降位移影響不大。從水平位移來(lái)看，方案一的向左水平位移是2.6e-004 m，方案二向左的水平位移是1.8e-004 m。方案一的向右水平位移是8.5e-004 m，方案二向右的水平位移是7.8e-004 m，所以?xún)煞N支護(hù)方案在水平位移方面差別較大，但是都符合規(guī)范要求。

2)從經(jīng)濟(jì)上對(duì)比可知：方案一大約使用了5 668根松木樁，每根松木樁單價(jià)是208.68元左右，合計(jì)總投入118.279 8萬(wàn)元左右。方案二需要使用895根塑鋼板樁，每根塑鋼板樁單價(jià)大約2 558.92元，合計(jì)投入大約229.023萬(wàn)元。所以松木樁支護(hù)經(jīng)濟(jì)投入較少。

3)對(duì)比以上兩個(gè)方案的安全系數(shù)，方案一的安全系數(shù)1.26略大于規(guī)范要求的允許安全系數(shù)1.25。方案二的安全系數(shù)相對(duì)于方案一有了較大的提升，方案二安全系數(shù)是1.29。從安全系數(shù)上來(lái)看，方案一的安全系數(shù)接近規(guī)范值，預(yù)留下降空間不大。總體兩個(gè)方案的安全系數(shù)都符合規(guī)范要求允許的1.25。

從穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和安全系數(shù)等方面對(duì)比可知，選用方案一更加合適。