不均勻地基條件下淤泥質河道整治開挖岸坡穩定性分析

王啟凡,鐘琦皓,劉菲菲,蔣曉艷

(1.華設設計集團股份有限公司 常州分公司,江蘇 常州 213000;2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司,南京 210000;3.淮安市水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 淮安 223001)

0 引 言

淤泥質河道整治工程中,岸坡的結構穩定性不僅會影響到施工質量,同時也會對周邊水土環境產生影響。因此,為了保證淤泥質河道整治工程的順利開展,需要對河道岸坡的穩定性進行分析。通過構建分析模型,對岸坡結構的演變情況進行推演,為岸坡河道施工提供數據幫助。

文獻[1]以大體積岸坡作為研究對象,探究了水位升降因素對于岸坡穩定程度的影響。文獻[2]通過構建土水特征曲線,對不同巖質結構下的岸坡穩定情況進行了模擬分析。文獻[3]以碎石樁復合地基岸坡作為研究對象,探究了周期性潮位對于岸坡結構的影響程度。文獻[4]采用層次分析理論,對影響岸坡結構的相關因素進行了歸納和分析。上述方法可在一定程度上實現對岸坡穩定性的分析,但由于未考慮到巖土力學參數的影響,導致最終計算的岸坡位移值與實際值之間的差距較大,影響了最后的分析結果。

因此,為了對上述問題進行優化,本文以淤泥質河道整治工程中的岸坡作為研究對象,通過對影響因素進行歸納與分析,提出一種新型的分析方法,旨在優化方法的分析性能,針對岸坡位移的演變情況進行精準預測。

1 不均勻地基條件下淤泥質河道整治開挖岸坡穩定性分析

1.1 不均勻地基條件下淤泥質河道整治開挖岸坡穩定影響因素分析

在不均勻地基條件下,淤泥質河道整治開挖工程的岸坡穩定性,會受到包括水文條件在內的多種因素的影響。因此,為了分析岸坡穩定性,本文首先針對岸坡穩定影響因素進行分析,明確不同因素對于岸坡穩定性的影響程度,從而選定分析指標[5]。

為此,本文通過建立岸坡幾何模型,探究巖土力學參數、水文條件以及邊坡幾何參數,對于岸坡穩定性的影響。首先,受到不均勻地基條件的影響,巖土力學參數是影響岸坡穩定性的最直接因素。一般情況下,岸坡自身的結構強度與穩定性呈正相關[6]。而影響結構強度的巖土力學參數主要包括內部因素和外部因素,其中,內部因素主要包括內摩擦角、巖體抗拉強度、巖體黏聚力、彈性模量等;外部因素主要指的是岸坡結構的外部環境影響因素。

為了便于分析,本文主要針對岸坡的內部因素進行分析與討論[7]。本文所構建的岸坡幾何模型結構見圖1。

圖1 岸坡幾何模型結構圖

圖1中,H為岸坡坡高;α為岸坡坡角;β為結構面傾斜角度。

為了探究不同的幾何參數對于岸坡穩定性的影響,上述3種幾何參數取值見表1。

表1 岸坡幾何參數取值

以上述岸坡模型的幾何參數作為輸入變量,將其輸入Geo-static軟件中進行模擬分析,通過計算不同坡度下的安全系數,比較不同因素對于岸坡穩定性的影響程度。首先計算岸坡結構的綜合安全系數,公式如下:

(1)

式中:ks為岸坡結構的綜合安全系數;kb為淤泥質河道土體的折減系數;kc為淤泥質河道土體的強度衰減系數。

通過上述步驟,即可計算出不同幾何參數下的岸坡綜合安全系數。由于巖層結構面傾角與岸坡坡角對于岸坡穩定性影響程度之間的差異較小,因此本文僅選取坡高以及岸坡坡角兩個幾何參數用于分析。將表1中的邊坡幾何參數輸入分析模型中,得到的關系圖見圖2[8]。

圖2 坡度與岸坡安全系數的關系

由圖2可知,當岸坡的巖層傾角為固定值時,在不同坡高條件下,安全系數與坡度呈負相關,即坡度越大,岸坡的穩定性也就越差[9]。這主要是由于當岸坡的坡度超過岸坡土體內摩擦角時,岸坡土體表面的下滑力要遠高于摩擦力的承受范圍,因此易出現邊坡失穩情況。

坡高與安全系數之間的關系見圖3。由圖3可知,在巖層傾斜角度一定時,坡高與岸坡安全系數呈負相關,即坡高越高,岸坡的穩定性越差。這主要是由于隨著岸坡高度的增加,岸坡底部的應力越集中,越容易出現局部失穩的情況[10]。

圖3 坡高與岸坡安全系數的關系

上述分析表明,岸坡幾何參數與岸坡結構穩定性呈負相關,研究結果可為后續岸坡穩定性分析提供幫助。

1.2 岸坡穩定性計算參數選取

在完成岸坡穩定性影響因素分析后,根據上述分析結果,對岸坡穩定性的計算參數進行選取,用于后續的穩定性分析。由于岸坡內部存在土體滲流情況,而滲流程度對于岸坡的穩定性也有一定影響。因此,為了分析岸坡穩定性,本文結合岸坡內部土水特征曲線,構建岸坡土體基質吸力預測方程。方程表達式如下:

(2)

(3)

式中:Q為岸坡內部土體的體積含水量;θS為土體內部基質吸力;φ為基質吸力參數;n為岸坡內部土體水流出率對應的土性參數;m為土體所吸收的水體對應的水流出率土性參數;a為土體進氣值對應的土性參數;φr為土體內部水體流失量對應的基質吸力。

通過上述步驟,即可構建岸坡土體基質吸力預測方程,對基質吸力情況進行合理預測。除了土體滲流情況以外,在不均勻地基條件下,岸坡內部結構中的土體均處于非飽和狀態,因此土體中會存在氣體。研究表明。內部存在氣體的土體比飽和狀態下的土體滲透程度更低,而土體滲透程度也會直接影響岸坡結構的穩定性[11]。同時,土體的滲透程度與土體基質吸力一樣,均會隨著內部水分含量的變化而產生波動。因此,可以通過構建滲透系數與土體含水量之間的函數關系,探究滲透系數對于岸坡結構穩定性的影響。函數表達式如下:

(4)

式中:kw為岸坡內部結構中土體的滲透系數;kp為飽和狀態下的土體滲透系數;y為虛擬積分變量;ψ為土體飽和狀態下對應的基質吸力差值;Q′為土體內部體積含水量對應的一階導數。

基于上述對土體滲透系數以及內部基質吸力的分析,本文選定的基本參數以及相關取值見表2[12]。

表2 穩定性計算參數及描述

通過上述步驟,即可選取出關于岸坡穩定性的相關計算參數。通過對土體滲流情況和土質滲透系數進行分析,得到相關計算參數變量,為后續的穩定性分析提供可靠的數據支持。

1.3 岸坡穩定性分析

通過上述岸坡穩定影響因素分析可知,岸坡的結構穩定性與其內部的水體壓力有一定關系。因此,本文假設淤泥質河道整治開挖岸坡受到的壓力為靜水壓力,具體示意圖見圖4[13]。

圖4 岸坡靜水壓力假設

考慮到岸坡土體的滲透力會施加在水體的滑移平面上方,為了便于分析,本文將土體滲透力的施壓方向設為垂直方向,由此可以計算出凈水壓力值。計算公式如下:

(5)

式中:P為河道岸坡平面受到的靜水壓力;h為岸坡高度;γw為靜水施力參數。

在完成靜水壓力假設后,結合反分析理論,對岸坡穩定安全系數進行求解,從而實現岸坡穩定性分析。因此,本文以上文選定的穩定性計算參數作為輸入變量,構建因素分析表達式。具體公式如下:

S=f(E,c,φ,v,D,T)

(6)

式中:S為岸坡位移量;E、c、φ、v、D、T分別為對應表2中的穩定性計算參數。

結合式(6)的計算結果,本文構建岸坡穩定性分析指標,具體指標見表3。

表3 岸坡穩定性分析指標

通過上述步驟,即可構建出淤泥質河道整治開挖岸坡穩定性分析指標。通過計算岸坡位移量以及具體穩定性分級標準,實現對于岸坡的穩定性分析[14]。

通過上述步驟,即可完成對岸坡穩定性的分析。通過對岸坡靜水壓力進行假設,對岸坡位移量進行求解,并構建出岸坡穩定性分析指標,實現穩定性分級。將本節內容與上述提到的穩定因素分析以及計算參數選取等相關內容進行結合,至此,不均勻地基條件下淤泥質河道整治開挖岸坡穩定性分析方法設計完成[15]。

2 試驗論證

為了驗證本文提出的不均勻地基條件下淤泥質河道整治開挖岸坡穩定性分析方法的分析效果,優于常規淤泥質河道整治開挖岸坡穩定性分析方法,在理論部分設計完成后,構建試驗環節,檢驗本文方法的分析預測效果。

2.1 試驗說明

為了驗證本文提出的不均勻地基條件下淤泥質河道整治開挖岸坡穩定性分析方法的有效性,本次試驗選取兩種常規的河道岸坡穩定性分析方法作為對比對象,分別為基于模糊評價法的河道岸坡穩定性分析方法及基于層次分析法的河道岸坡穩定性分析方法。通過構建試驗平臺,采用3種分析方法,對同一組模型的穩定性進行分析,對比不同分析方法的實際分析性能。

2.2 試驗準備

本次選取的試驗對象為某經濟開發區的河道整治工程。該工程區域的河道施工采用圍堰施工的方式,圍堰采用填土堤芯,袋裝土護坡和護面,考慮非汛期施工,圍堰頂高程按河道常水位上限3.80m加0.50m超高確定為4.30m,圍堰頂寬2m(主河分段圍堰頂寬2m,頂高3.80m;支河圍堰頂寬1.5m,頂高3.80m),圍堰臨水側邊坡1:2,背水側邊坡1:1.5。

該地區所在區域屬長江下游沖積平原,總體地勢低洼平坦。其中,地面高程低于5.8m的面積約95.7km2,占境內總面積的52.8%;低于6.08m的面積約106.8km2,占比58.9%。

本次試驗主要針對工程中的河道岸坡進行穩定性分析。河道岸坡施工圖見圖5。

圖5 岸坡施工現場圖

為了對上述施工工況中的岸坡穩定性進行分析,通過實地考察,提取岸坡各土層的相關參數,最終確定該岸坡的土層結構除了表層的施工面板以外,一共包括4層,分別為素填土、砂礫、淤泥質土以及強風化粉砂巖。各土層的強度參數見表4。

表4 土層強化參數

根據上述土層強化參數,采用模擬軟件MATLAB,構建河道岸坡模型,分別采用不同的穩定性分析方法進行分析,岸坡模型的具體結構見圖6。

圖6 河道岸坡模型結構圖

為了提高試驗結果的可靠性,本次選取3種不同的工況用于試驗分析,每種工況的面板荷載均有所不同。其中,工況一的面板荷載力為30kPa;工況二的面板荷載力為45kPa;工況三的面板荷載力為60kPa。通過針對3種不同工況下的河道岸坡模型進行穩定性分析,對比不同分析方法對于岸坡位移值的計算性能。

2.3 分析性能對比結果

本次對比試驗選取的對比指標為不同分析方法對于岸坡位移值的計算精度,具體衡量指標為岸坡位移誤差值,該值越低,表明方法的分析性能越好。試驗結果見圖7-圖9。

圖7 工況一的岸坡位移誤差對比結果

圖8 工況二的岸坡位移誤差對比結果

圖9 工況三的岸坡位移誤差對比結果

由圖7-圖9可知,在針對荷載條件下的岸坡模型進行穩定性分析時,不同方法對于位移的計算精度有所不同,且位移誤差隨著荷載力的增大而不斷增大。通過數值對比可以看出,本文提出的不均勻地基條件下淤泥質河道整治開挖岸坡穩定性分析方法,具備更高的分析精度,其位移誤差值明顯低于兩種傳統分析方法計算的位移值,且誤差值不會隨著荷載力的變化出現較為明顯的波動,表明本文提出的岸坡穩定性分析方法的分析性能優于常規的分析方法。

3 結 語

針對常規河道岸坡穩定性分析方法對于岸坡位移值計算誤差較大問題,本文通過分析岸坡穩定影響因素,提出了一種新型的岸坡穩定性分析方法。試驗結果表明,本文方法能夠針對岸坡的位移值進行精準預測。