河岸沉積污染物清除過程中邊坡穩定性分析

李文勇

(鄆城縣隨官屯鎮人民政府,山東 菏澤 274700)

位于我國東南部的部分河流被鉛、汞和多環芳烴在內的多種化學物質污染，這種有害物質對人類的身體健康和生存環境構成了極大的威脅[1- 3]。因此，我們需要對該污染物質以沉積物的形式進行消除。初步的現場勘測報告表明，河道的邊坡相對穩定。任何形式的沉積物移除都有可能致使邊坡不穩定，進而發生失穩破壞。因此，在河道整治工程進行前需要詳細的巖土工程勘察數據和邊坡評估情況，以便為河道邊坡提供所需的支撐保護[4- 6]。

1 研究區概況

研究區位于菏澤市舊城鎮黃河段，目標河流寬約100m，以平緩的曲線由南向北流動。研究區主要分為三個區域:1區、2區和3區，具體如圖1所示。

圖1 總體站點布局

1區位于場地的南部，長約290m。該區域由陡峭的丘陵地形組成，且在多個位置有巖石露出。1區的典型剖面如圖2所示，大部分河岸斜坡非常陡峭。最近的一次邊坡破壞是從鐵路坡道的邊緣開始，一直延伸到河流的坡腳。此外，也有證據表明河岸在多個位置發生了河底侵蝕和坍塌。

圖2 1區的典型橫截面

2區位于1區附近的北部，與相對平坦的河流階地沉積物相鄰。該區域長約440m，其橫截面如圖3所示。該區域主要由工業區組成，工業區包括一個填充臺階和沿河岸的填充斜坡。

圖3 2區的典型橫截面

2區以北的3區主要由住宅區和公園區組成，該區長約320m，其橫截面如圖4所示。坡面主要分為三個部分，河坡、河岸和河岸線以上的區域。河岸的平均坡度約為3∶1，上坡坡度較平緩，平緩區域的寬度從3m到10m不等，住宅區距離河岸線約20m，河岸線放置了一些石頭和混凝土塊用來保護河岸不受侵蝕。

圖4 3區的典型橫截面

2 河床沉積物分析

通過巖土工程勘測，來識別土層中具有代表性的土壤參數，并用于邊坡穩定性的評估。考慮了復雜的地形、地貌以及地質情況。制定了一個研究區土壤鉆孔計劃，包括巖石取芯和地球物理數據的測量。其中，為了表征河岸斜坡的土壤剖面情況，在河流中鉆探了14個鉆孔，在高地上鉆探了16個鉆孔。

對采集的土樣進行直接剪切和固結不排水的三軸試驗。直接剪切試驗的法向應力荷載范圍為70～120kPa，三軸壓縮試驗的壓力范圍為70～140kPa。此外，對收集的巖芯進行點荷載和無側限抗壓強度試驗。

在1區南部的上斜坡觀察到暴露的巖石，并用全球定位系統記錄巖石的位置和狀況。巖土工程勘測數據表明，研究區的土壤層情況變化很大，這在現實中場地的地貌和地形上也可以看出。2區基巖層較深，1區和3區的基巖層相對較淺。根據以上獲得的數據，建立了地下模型，該模型反映了1區縱剖面的巖石情況。為了識別對邊坡穩定性至關重要的深基巖區域，根據地下模型、鉆孔數據和巖石裸露情況生成了巖層等高線圖。1區縱向剖面圖和巖層等高線圖如圖5所示。

圖5 1區縱向剖面和巖層等高線圖

總的來說，該區域主要由冰川沉積、河流沖積、和基巖組成。如圖2所示，1區的堤岸由填料組成，下面是水平層狀的腐泥土層，該層主要是頁巖風化形成的，下面是石灰巖。填料由松散至中等密度的砂和礫石組成。風化的頁巖極易發生邊坡破壞，具有腐泥土層的區域易發生深層整體破壞。2區高地由冰川沉積組成，該沉積層包含淤泥和軟砂質淤泥，沉積層下面為頁巖。冰川沉積物的顏色為淺紅棕色，具有輕微塑性至中等塑性，河邊由非常軟的砂質淤泥和沖積、沉積物組成。沖積、沉積層呈深灰棕色，具有輕微至中等塑性。類似地，3區的高地由粉砂、粉沙礫的沖積層和冰川沉積層混合組成。這些土壤較松散且密度中等，顏色為淺紅棕色。河邊土壤由非常軟的沖積、沉積物組成，沉積物由淤泥和砂組成，下面是頁巖層。

3 邊坡穩定性計算

3.1 土壤性能分析

根據土壤鉆孔數據和實驗室測試情況，為每個部分選擇初步的土壤參數。測試內容包括標準貫入試驗、固結不排水三軸試驗以及巖芯的無側限壓縮和點荷載試驗。1區的流動性指數選擇范圍為0～-3，這表明土壤在受到擾動時不會發生較大的強度損失。

使用二維極限平衡分析，假設安全系數為1，以邊坡現有的破壞情況為基礎，對模型進行計算。此外，考慮到邊坡的性能，對其他路段的土壤參數(圖2、圖3和圖5)進行了改進。與此同時，在邊坡上發現了淺層破壞的跡象，如傾斜的樹木和滑塌情況。基于此次評估，得到了每個斜坡段的土壤參數，見表1。

表1 研究區土壤參數表

式中，γsat—飽和容重；γd—干容重；c′—有效內聚力；φ′—摩擦角。

3.2 河岸穩定性計算

本文采用的河岸穩定性計算模型是一種極限平衡分析，除了正孔隙水壓力和負孔隙水壓力外，該模型還考慮了分層土壤、基于含水量的土壤單位重量變化以及水流產生的外部圍壓。該模型將河岸剖面劃分為最多5個具有獨特巖土特性的水平層如圖6所示。河岸安全系數(Fs)由以下等式給出：

(1)

圖6 河岸水平土層劃分

河岸失穩的驅動力由河岸高度和坡度、土壤單位重量和其中的水質量以及任何物體施加在河岸頂部的超載控制。阻力與驅動力之比通常表示為安全系數(Fs)，其中大于1的值表示穩定性，小于1的值表示不穩定性。計算采用Excel宏計算，對三個區域河岸穩定性進行計算，結果如圖7—9所示，計算結果表明區域1—3的河岸安全系數Fs分別為0.99、1.28和2.10，其中區域1河岸處于臨界狀態，并且隨時會發生崩塌，因此需要對其進行加固防護。

圖7 區域1河岸穩定計算結果

圖8 區域2河岸穩定計算結果

圖9 區域3河岸穩定計算結果

4 河岸穩定性評價及加固方案設計

4.1 河岸穩定性評價

由于地形和地質的變化，為整個河道整治工程選擇一種成本低且效益高的邊坡穩定方法是不切實際的[7- 8]。因此，需要根據河流的具體情況進行選擇，邊坡穩定措施通常有板樁墻、組合墻、開挖和回填，除此之外還有土壤/巖石錨固，一般來說，錨固措施是不需要長期維護的非結構解決方案的首選。在這些措施中，較為經濟的方法是對被侵蝕的岸坡進行臨時翻耕，并利用植被覆蓋的堆石進行重建[9]。這種方法僅在非林區可行，而且需要與土地所有者進行商談。與此同時，重建的部分需要在現有條件下易于恢復才予以考慮。

由上節計算可知，區域1、2的河岸較為穩定，但是隨著河勢不斷變化也存在一定風險并且這兩個區域為居民區以及工業區為人類活動區域，因此對這兩個區域的河岸定期進行坡度修整即可，而區域3的河岸處于臨界狀態，應作為重點防護對象，從地形圖中可以看出，區域3的一部分可以采取回填替換方案。因此，為位于3區河岸線約90m的邊坡選擇了回填替換方案。對于該區域的其余部分，采用一種具有結構性的邊坡支護方法。試驗過程中發現，板樁支護失效。主要原因是由于邊坡失穩面延伸地過于靠近基巖頂部，板樁無法在趾部提供足夠的支撐力。

4.2 加固方案設計

加固樁已經被廣泛用于穩定邊坡中，該措施主要利用土的拱效應來對邊坡進行加固和支護。如果巖石層較淺，加固樁必須鉆入巖石中。考慮到加固樁之間的拱起會產生移動并導致邊坡結構的損壞，且為了不造成安全隱患，在加固樁之間使用護板進而形成組合墻。由于組合墻和鋼筋樁等臨時支撐會隨著時間的推移而發生腐蝕且強度會降低，因此需要采用一定的永久支撐。主要在河床中使用扶壁作為永久支撐，為清除沉積污染物的邊坡提供支護。同樣，持續的侵蝕可能會使組合墻暴露出來，這樣會使河岸線顯得不自然。為了河道周圍的自然條件，建議將鋼結構放置在地面以下，并填充抗侵蝕的材料。

為了減少組合墻安裝時的鉆孔數量，選擇了較寬的中間板樁截面，將主樁之間的間距最大化，同時也為支護提供了所需的抗彎剛度。為了簡化施工過程，加筋樁和組合墻的主樁采用了相同的截面形狀和截面面積。具體布置情況如圖10所示。

圖10 3區組合墻和加筋樁的布置圖

使用坡度/寬度對采用拋石置換的邊坡進行評估，根據邊坡穩定的極限平衡理論確定了邊坡開挖的安全系數為1.25。為了恢復自然棲息地的原始面貌，河道邊坡最終選擇回填碎石和天然土壤來更換頂部的材料。由于替代的材料比原始土料具有更好的抗剪強度，因此，河道邊坡的穩定性得到了一定程度的提高。圖11為3區部分區域斜坡的典型剖面圖，描繪了邊坡采用拋石置換措施的橫斷面情況。

圖11 3區采用拋石置換的邊坡剖面圖

由于施工現場的地形條件變化很大，為了使邊坡穩定措施的設計和施工具有靈活性和可操作性且能夠依據客戶的要求縮短設計周期和施工周期，專門制定了基于實際情況的設計規范，其中包括巖土工程的結構和荷載要求。

5 結語

一般情況下，河道的邊坡是相對穩定的，但是如果改變河道邊坡的坡度，就可能造成邊坡失穩，進而導致邊坡發生破壞。為了安全合理地清除河道邊坡中的沉積污染物并保證原有邊坡的穩定，基于加固樁、組合墻等多種措施對施工工藝進行了改進和創新。研究設計的邊坡支護方案雖然沒有提高河道原始邊坡的穩定性，但保持了其原有的狀態，為污染物的安全移除和場地恢復提供了技術支持。