都邠溝清淤工程岸坡穩定性分析

陳義軍，顧洋，劉戰鋒

（1. 中國電建華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2. 華北水利水電大學 巖土工程與水工結構研究所，河南 鄭州 450046）

1 引言

邊坡穩定性研究是工程地質學研究的熱點問題，人類工程性活動的發展使影響邊坡穩定性問題日益增多。目前對工程施工邊坡體穩定性影響研究方面，中國學者成果眾多。曹春山是以寶雞市扶風縣黃土滑坡的成因機制研究，通過野外地質調查，提出了飛鳳山滑坡的破壞模式為漸進式破壞。馮君等用力學模型試驗方法，并通過數值計算模擬開挖破壞過程，提出在實際工程中，為了避免開挖過程中邊坡出現順層滑動，宜首先在坡腳處設置錨桿，邊開挖邊支護。肖世國是研究坡體開挖松弛區范圍提供了數值分析方法，認為松弛區范圍為沿水平方向或與坡頂地面線平行的參考線的應力或位移變化曲線。王玉峰以觀音堂某黃土高邊坡為實例，研究不同支護模式下黃土高邊坡的開挖變形特征和支護結構性狀，采用土工離心機試驗后，發現對于黃土高邊坡的加固，樁釘復合支護要優于全斷面土釘支護。侯曉坤采用室內試驗與數值計算相結合的方法研究開發形成的黃土高邊坡的穩定性及破壞機制，當開挖坡比較大時，黃土高邊坡破壞為典型的推移式破壞模式。李杰為研究路塹邊坡開挖過程中巖體邊坡和變形穩定性，采用地表變形及巖體內部位移監測數據分析邊坡開挖過程中的變形規律，發現第二級臺階巖體的合理開挖是控制整個邊坡穩定的關鍵。為研究人工開挖邊坡長期穩定性問題，廖紅建進行了一系列的室內三軸剪切試驗，探討了黏性土在浸水后的強度降低程度，為人工邊坡的長期穩定性計算和強度參數確定提供簡便、實用和經濟的方法。萬琪是研究降雨下高速公路高邊坡在開挖及運營過程中的變形規律及穩定性，利用大型土工離心機及自主研發降雨裝置，發現不同支護時序條件對邊坡穩定性的影響與無實時支護邊坡的穩定系數要比實時支護至少降低50%。

河道清淤施工岸坡需對其施工過程中岸坡穩定性問題進行研究，文章在前人研究的基礎上，采用數值模擬的方法，利用FLAC3D計算軟件，針對河道工程施工時需要新建護岸的岸坡，對其開挖、修建擋墻以及回填過程進行模擬計算，探究對其穩定性影響。

2 工程概況

該工程項目位于福建省莆田市涵江區，地貌上屬于海相沉積及海陸交互相沉積地貌單元，沿河道兩岸較為平坦開闊，河岸高程多在4.50～6.50 m，河床高程在3～4 m，河寬10～25 m，水深0.50～2.00 m，河底為淤泥，水流緩慢。起點處臨河而建密集排布的1～3F 磚混民居及臨時板房；中段兩岸以農田及建筑工地為主，尾段高左岸為已建1～3F 磚混民居，右岸多為荒地，兩岸沿河已建砌石擋墻，頂寬約0.60 m，高出河面約1 m。

3 巖土層分布特征

①雜填土：松散狀態，均勻性較差，人工堆填而成，堆填時間約10 年，未完成自重固結。上部為30～50 cm 水泥地板，下部含碎石和個別塊石，碎石粒徑為2～5 cm，含量約占50%。全場分布。②粉質黏土：可塑，粉黏粒為主，切面光澤且光滑，干強度及韌性中等。此層分布數量一般，局部被耕植土覆蓋。③淤泥：流塑，飽和，含少量有機質及腐殖質，具淡臭味，物質組分較均勻，巖芯切面光澤反應較光滑，干強度中等，韌性中等，無搖震反應；為高含水量、高壓縮性、低強度的軟弱土層。④粉質黏土：濕，可塑～硬塑，砂粒含量約占10%，物質組分均勻性一般，巖芯切面光澤反應較光滑，干強度中等，韌性中等，無搖震反應，為中壓縮性土。⑤殘積砂質黏性土：可塑～硬塑，成分主要由黏性土和石英砂粒組成，礫粒含量約占8%～10%，泥質含量約50%～60%，可見殘余的原巖結構，原巖為花崗巖；物質組分較均勻，巖芯切面光澤反應稍有光滑，干強度中等，無搖震反應，韌性稍低，為中等壓縮性土層。

4 施工岸坡穩定性分析

4.1 施工岸坡模型建立

針對不同的新建方式選擇典型斷面建立模型，此次選取4-4、22-22兩個典型斷面建立計算模型。采用FLAC3D程序建立的模型尺寸如下：岸坡Ⅰ水平方向x 長15.80 m，垂直方向z高5.00 m，開挖后的塊石厚度0.30 m，混凝土底板厚度0.50 m，寬度1.45 m，擋墻采用梯形，高度0.70 m，上表面寬0.50 m，下底寬0.85 m，迎坡面放坡1：0.50，背坡面垂直。岸坡Ⅱ水平方向x長14.00 m，垂直方向z高7.25 m，開挖后混凝土底板厚度0.50 m，寬度2.22 m，擋墻采用梯形，高度1.70 m，上表面寬0.50 m，下底寬1.54 m，迎坡面放坡1：0.40，背坡面放坡1：0.20。施工期河道內均無水，岸坡內有地下水位。斷面圖及生成初始模型如圖1～4 所示，模型的土體材料采用摩爾庫侖本構模型，擋墻和仿松木樁采用彈性本構模型，巖土體物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數表

圖1 斷面4-4圖

4.2 工況建立

對于新建護岸清淤模型，在開挖和擋墻的修建以及后期土方回填時對巖土體的擾動作用較大，則不考慮后期河道內清淤對岸坡穩定造成的影響，針對不同施工階段分為三種工況分析其穩定性影響。工況一：岸坡開挖；工況二：擋墻修建；工況三：土方回填。

圖2 岸坡Ⅰ初始模型圖

圖3 斷面22-22圖

圖4 岸坡Ⅱ初始模型圖

5 結果分析

5.1 模型結果分析

5.1.1 位移分析

5.1.1.1 岸坡Ⅰ施工過程位移分析

開挖產生的卸荷回彈致使開挖面的土體向臨空面一側位移，工況一下，開挖后水平方向的岸坡土體向河道方向位移，河道內的土體向岸坡方向位移，豎直方向開挖面均有向上的位移，岸坡坡腳處水平向位移最大如表2 所示，向右位移了約8.14 mm，向上的最大位移處在坡底水平段，位移了16.70 mm，如圖5所示。

表2 各工況下岸坡最大位移值表

圖5 開挖后豎向位移圖

在工況二擋墻修建完成時，擋墻兩邊的位移繼續增大，擋墻的修建起到了加載作用，致使兩側的土體向力增加的方向位移，岸坡坡腳水平向最大位移增加了約0.14 mm，同時壓應力使擋墻下部土體向下位移，豎直方向最大位移減小了0.11 mm。

工況三下，如圖6所示，由于土方回填的繼續加載作用，岸坡處的土體水平向的位移達到了最大值，水平方向最大位移增加了0.14 mm，最大位移達到了8.46 mm，豎直方向位移減小了1.50 mm，位移值14.10 mm。

圖6 回填完成后水平向位移圖

5.1.1.2 岸坡Ⅱ施工過程位移分析

開挖產生的卸荷回彈致使開挖面的土體向臨空面一側位移，岸坡水平向最大位移發生在坡面上淤泥質土層的最下部，向左位移了大約13.29 mm，向上的最大位移處在坡面上，向上位移了11.03 mm，如圖7所示。

圖7 開挖后豎向位移圖

在工況二下，隨著擋墻修建完成，水平與豎直方向位移變化較小，擋墻的加載作用使得岸坡坡面最大水平位移增加了0.16 mm，豎直方向最大位移減小了0.09 mm，如表3所示。

表3 各工況下岸坡最大位移值表

工況三中，土方回填完成時，對岸坡水平位移影響較小，岸坡最大水平位移增加了0.03 mm，最大位移達到了13.50 mm，由于回填土方量較大，坡底土體受到回填土擠壓，豎直方向最大位移減小了7.77 mm，位移值減小至2.34 mm，如圖8 所示。

圖8 回填完成后水平向位移圖

5.1.2 應力分析

岸坡自然狀態下的最大主應力圖如圖9與圖10所示，可以看出岸坡在開挖前的最大主應力主要受重力的影響，隨著深度的增加，應力逐漸增大，應力沿水平方向呈條帶狀分布。

圖9 岸坡Ⅰ初始最大主應力圖

圖10 岸坡Ⅱ開挖最大主應力圖

岸坡開挖后的最大主應力如圖11與圖12所示，岸坡開挖時，打破了原有的應力平衡狀態，開挖面由于開挖時的卸荷作用而產生應力重分布導致開挖面的最大主應力減小，但在坡腳處為未產生明顯應力集中現象，判斷是由于開挖岸坡高度較低，并且開挖坡度較小，由于此次開挖的岸坡由不同土層構成，岸坡Ⅰ在開挖后坡腳處的應力減小較多，坡腳最大主應力減小約0.25 MPa，岸坡Ⅱ開挖后坡面處應力釋放較大，最大處減小約0.30 MPa，由此可以看出開挖至淤泥質土層時土體應力釋放明顯。

圖11 岸坡Ⅰ初始最大主應力圖

圖12 岸坡Ⅱ開挖最大主應力圖

岸坡回填后的最大主應力見圖13 與圖14，在重力的作用下，回填的土體對岸坡產生擠壓作用，岸坡Ⅰ開挖處的最大主應力變化不明顯，岸坡Ⅱ開挖面的最大主應力增加了約5×10-3MPa。在整個施工階段，兩個岸坡體最大主應力均為負值，為壓應力，未出現拉應力。

圖13 岸坡Ⅰ開挖最大主應力圖

圖14 岸坡Ⅱ回填后最大主應力圖

6 結論

①新建護岸坡在施工時，岸坡的水平位移從開挖到修建擋墻再到土方回填的過程中持續增加，在回填完成后達到最大值，岸坡Ⅰ位移值8.46 mm，岸坡Ⅱ位移值13.50 mm，豎向位移在開始施工時卸荷回彈作用明顯，位移值達到最大，岸坡Ⅰ位移值達到16.70 mm，岸坡Ⅱ位移值達到11.03 mm，隨著擋墻和回填土的加載作用豎向位移逐漸減小。②不同于均質邊坡，岸坡Ⅰ與岸坡Ⅱ開挖至不同的土層，岸坡Ⅰ開挖至淤泥質土層，坡腳處的位移最大。岸坡Ⅱ開挖超過淤泥質土層，位移最大的地方處在坡面上淤泥質土層底部。③施工時的最大主應力改變較明顯的階段在岸坡開挖完成后，岸坡Ⅰ坡腳處的最大主應力變化最大與開挖前相比減小了0.25 MPa，岸坡Ⅱ坡面處淤泥質土層下部最大主應力變化最大與開挖前相比減小了0.30 MPa。由于坡高較小，坡度較緩，開挖時坡腳處均未出現應力集中，且整個施工過程中未產生拉應力。