基于簡化畢肖普法的河道邊坡穩定性分析

李金海

（嘉祥縣水利事業發展中心,山東 嘉祥 272400）

1 前言

河道邊坡在河水沖刷、浸潤長期作用下極易發生失穩破壞,對其進行邊坡穩定性分析不僅可以保證工程質量,而且可使河道邊坡在較長時間內處于安全穩定的狀態。本工程位于濟寧市嘉祥縣梁山閘灌區,隸屬于山東省濟寧市,位于山東省濟寧市西部,屬黃河沖擊平原,其降水多集中在6月～8月,且降水強度大,多形成洪澇災害或旱澇相間發生。

為了起到疏通河道的工程目的,避免邊坡失穩、滑坡等自然災害對人民生命和財產造成損失,確保河道邊坡的施工和應用的安全,本文以最不利的河道邊坡斷面為研究對象,采用簡化畢肖普算法對穩定滲流期、施工期、設計洪水位驟降期、地震期四種不同工況下的邊坡穩定安全系數進行計算分析。

2 工程概況

穿心河位于濟寧市嘉祥縣仲山鎮東屯村東側,程莊村西側,姚莊村南側,地貌上位于黃河沖積平原。河道現狀無堤防,主河槽寬5 m～15 m,河底高程32.32 m～35.64 m,左岸地面高程36.64 m～39.20 m,右岸地面高程36.89 m～38.93 m。

勘察深度范圍內揭露的主要地層為第四系全新統沖積堆積的沙瓤土、壤土、黏土,自上而下分為10 層（含亞層）,分述如下：

A 層素填土（Q4S）：黃褐色,松散～稍密,稍濕,土質不均,夾有碎磚塊、植物根系、生活垃圾,局部為黑色礦渣。厚度：1.30 m～2.90 m,平均2.13 mm。

A-1 層淤泥（Q4al）：①層黏土（Q4al）褐黃色,可塑,土質不均,含少量鐵錳氧化物,局部夾壤土團塊,厚度0.90 m～3.50 m,平均1.96 m。②層砂壤土（Q4al）黃褐色,稍密～中密,土質不均,含少量黏粒,搖振反應迅速,手捻砂感較強,干強度及韌性較低,厚度1.40 m～2.00 m,平均1.68 m。③層黏土（Q4al）黃褐～灰黃色,可塑～硬塑,濕,含云母薄片,含銹斑及鐵錳結核,局部灰色,厚度2.00 m～4.50 m,平均3.26 m。④層壤土（Q4al）灰黃～灰褐色,可塑～硬塑,土質不均,黏粒為主夾少量粉粒,含銹斑及鐵錳氧化物,偶見姜石,含有機質。厚度1.50 m～4.00 m,平均2.68 m。⑤層黏土（Q4al）灰～灰褐色,可塑～硬塑,濕,土質不均,含云母薄片,含鐵錳氧化物,局部夾有灰色土壤,厚度1.90 m～4.50 m,平均2.84 m。⑤-1 層砂壤土（Q4al）灰黃色,中密,濕,土質不均,含少量黏粒,含鐵錳氧化物,厚度1.00 m～1.00 m,平均1.00 m。⑥-1 層砂壤土（Q4al）,灰色,中密～密實,濕,土質不均,切面粗糙無光澤,手捻具砂感,搖振反應中等,局部夾壤土團塊及薄層,厚度1.10 m～1.50 m,平均1.30 m。⑥層壤土（Q4al）,褐黃色,可塑～硬塑,土質不均,局部黏粒含量較高,含銹斑,可見姜石,多處夾砂壤土薄層及黏土團塊,該層未穿透。

穿心河河道各地層物理力學指標見表1。

表1 穿心河河道地層物理力學指標

續表1

3 河道邊坡穩定計算

3.1 河道設計

（1）河道縱斷面設計

河道疏挖設計比降的確定主要考慮以下條件：

①河道設計比降盡量沿原現狀比降,并結合河道沿程淤積情況,避免出現深挖河段,增加開挖土方和占地。

②結合沿程地質條件,盡量使流速控制在不沖不淤范圍內,使開挖斷面經濟合理。根據以上條件結合河道運行情況及測量資料、地質資料綜合分析確定各河段設計比降。

（2）河道橫斷面設計

本工程穿心河河道斷面形式采用梯形斷面,其中設計河底寬度為2 m～9 m。根據區域土壤條件和地下水位情況,按照《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）的推薦值,并考慮邊坡穩定和盡量減少挖筑土方工程量,邊坡系數取1∶2.5。穿心河流域面積約3 km2,設計流量取4.8 m3/s。河道糙率與河道形態、粗糙度、植被、水位、河道曲直等因素有關,根據河道工程現狀,參照《水力計算手冊》[1],河床由細砂組成,河段不夠順直,河底有水生植物,兩側岸坡為砂土,因此本工程河道糙率取為0.0225。

3.2 邊坡穩定計算

以最不利的河道邊坡斷面為研究對象,采用簡化畢肖普算法對穩定滲流期、施工期、設計洪水位驟降期、地震期四種不同工況下的邊坡穩定安全系數進行計算分析。

3.2.1 畢肖普法原理

瑞典條分法和簡化畢肖普法是在巖土工程領域計算邊坡穩定系數應用最為廣泛的兩種方法,都屬于極限平衡法的一種。其中畢肖普法是在邊坡土體中取一圓弧滑動體,當土體內部所受剪應力大于其最大抗剪應力時,土體就會沿著此圓弧滑動面發生破壞。在此圓弧滑動體內沿豎向切分為n 個土塊,并將土塊所受重力分解為與圓弧滑動面垂直和相切的兩個分量,再對圓弧滑動體圓心處取力矩,建立力矩平衡方程,邊坡穩定系數即為方程的解,畢肖普法原理示意圖見圖1[2]。

如圖1所示,Pi、Pi+1為劃分的第i、i+1 個土塊側面所受的土壓力,Hi、Hi+1為劃分的第i、i+1 個土塊所受的切向力。假設 H=0,則邊坡穩定系數見式（1）、（2）。

圖1 畢肖普法原理示意圖

式中：ki為所劃分的第i 個土塊的計算系數；bi為第i 個土塊的長度；ci、φi分別為第i 個土塊的粘聚力和內摩擦角。

根據式（1）、（2）利用迭代法計算邊坡穩定系數。首先令Fs=0,計算出計算系數,將ki代入式（1）計算穩定系數Fs,依次反復迭代計算,直至前后兩次結果十分相近。

3.2.2 邊坡穩定安全系數進行計算

（1）選取計算斷面

根據不同的地質地形條件,結合河道設計橫斷面形式、開挖深度、邊坡土料的巖性等各種因素,選取最不利的河道邊坡作為典型斷面進行河道邊坡穩定計算,本工程河道邊坡為1∶2.5,選取樁號K1+700 處的河道斷面作為計算斷面。

（2）計算工況

根據《水利水電工程邊坡設計規范》（SL 386-2007）的規定,邊坡級別為5 級,計算工況分為以下三種：

正常運用條件：設計水位下的穩定滲流期。

非常運用條件Ⅰ：①施工期,上下游無水,計算內坡；②設計水位驟降期,設計水位驟降至0.85 m 水深時。

非常運用條件Ⅱ：地震工況,設計水位下的穩定滲流期遇地震。

（3）計算方法

根據河道邊坡不同的土料、河底土的力學指標,采用簡化畢肖普法,利用Autobank 計算程序進行計算。

（4）計算結果

不同工況下邊坡穩定系數計算簡圖分別見圖2～圖5。

圖2 穩定滲流期邊坡穩定系數計算簡圖

圖3 施工期邊坡穩定系數計算簡圖

圖4 水位驟降期邊坡穩定系數計算簡圖

圖5 地震工況邊坡穩定系數計算簡圖

河道邊坡穩定系數計算結果見表2。

表2 河道邊坡穩定計算結果

4 結語

文章以具體工程案例為背景,從簡化畢肖普法基本原理出發,建立了河道邊坡Autobank 計算模型,并對不同工況條件下的河道邊坡穩定系數進行計算。結果表明,穩定滲流期、施工期、設計洪水位驟降期、地震四種工況下的邊坡穩定安全系數均大于允許值,證明了模型的合理性,保證了河道邊坡的施工安全和使用安全。