基于极限平衡法对淤泥质航道边坡稳定性分析

王晓庆 中交广州航道局有限公司

淤泥质海岸深水航道建设的关键问题是控制航道的边坡稳定。海水通常以浪、流、潮等形式作用于淤泥质的航道边坡，受到动荷载的强度和土体本身状态的影响造成海底土体强度软化、抗剪强度衰变，易引起有效应力的降低，可能造成航道失稳滑塌，从而改变航道几何形状。在实践中一般通过钻探定量评估边坡稳定系数，但是由于钻探的局限性、边坡的不均匀性以及航道开挖后应力空间变异等导致工程后航道边坡稳定性存在很大的不确定性。本文基于极限平衡法对航道浅地层剖面测量，分析航道边坡稳定性，以期为航道疏浚维护、安全运营以及风险防控提供依据。

1.边坡稳定性观测方法

1.1 现场观测

现场用浅地层剖面仪对航道海域进行现场走航测量，浅地层剖面仪发射与接受信号为同一换能器，通过支架将仪器固定在船舷中部一侧。航道测线间距60m，换能器吃水深度为1.5m，将GPS固定在安装杆上，与换能器的直线距离为1.6 m，浅地层剖面仪的主频采用两个100kHz左右的频率，利用差频原理形成多个低频，利用低频的强穿透性来探测海底浅地层剖面。

1.2 计算方法

采用Geo-Slope软件对航道边坡稳定性进行计算分析，该软件以极限平衡法为基础，本文采用Janbu法计算航道边坡的稳定性。由于影响最终效果的主要因素是沉积层的性质和外部动力环境，根据航道空间位置，对浅地层剖面测量和航道测量边坡统计分析，选取典型航道边坡通过滑动面的圆心及半径搜索最危险的滑动面进行边坡稳定系数分析，根据边坡稳定系数大小判别边坡是否稳定和稳定程度。

2.观测结果及分析

2.1 航道边坡沉积层

航道边坡沉积层性质对边坡的稳定性具有决定性作用，因此分析其形成地质背景，充分认识航道边坡沉积层垂向变化及性质就显得非常重要。根据浅地层剖面和项目地勘资料，确定各反射层对应的地层，该港海底航道沉积物以淤泥质粉砂和粉砂质粘土为主，其次为黏土、粘土质粉砂。粘土质粉砂呈灰色，可见有水平分层，航道大部分是淤泥质粉砂，具有高压缩性。粉砂质粘土呈棕黄色，软塑状态，层理不清晰，有薄的粉土和沙土，可见粉质土层和块状物的局部层，富含有机质，具有中等压缩性，强度不高，是一般的软土层。淤泥质海底航道开挖之后，由于航道边坡沉积层受到切割，开挖面上的应力得到释放，含水量随之增加，边坡的粘聚力下降、内摩擦角变小，航道边坡的坡肩被海水水动力改变。因此对航道边坡稳定性在统计分析的基础上采用分段或变边坡处理。

2.2 波流作用下航道边坡稳定性分析

航道边坡除受静荷载外，还受波流的动荷载作用，海水以流、浪等运动形式作用于航道斜坡，受动荷载的强度和周期使航道沉积物内产生相应的应力和孔隙水压力而引起有效应力降低。较强的海水动水压力在中密到疏松的土体中，将会产生周期变化的剪应力，因而导致海底航道边坡稳定性下降。波浪对海底沉积物的作用表现为波浪荷载产生的动水压力和对海底沉积物的剪应力，潮流对海底沉积物表现为剪应力。波流的周期载荷还会造成土的强度和模量下降，孔隙压力增高。表1为波流作用下该港海底航道边坡安全系数表。

从表1可以看出施加波浪和潮流作用力后，航道边坡安全系数降低，由于海水在滑脱面上的润滑作用以及孔隙压力的作用，使航道边坡滑脱面上的摩擦力大为减小，因此，使得航道稳定性降低。航道边坡安全系数在空间上与静荷载下安全系数相似，外航道外段航道边坡安全系数最大，外航道内段航道边坡稳定性系数次之。根据该港航道海域“波浪掀沙、潮流输沙”规律，近岸破波区内侧波浪掀沙作用强、海流多为顺岸往复流，与航道夹角大，波流对航道边坡作用力强，边坡稳定系数较小。破波区外侧波浪掀沙作用弱、海流多为逆时针旋转流，波流对航道边坡作用力小，边坡稳定系数较大。

2.3.航道边坡稳定性分析

判别航道边坡是否稳定的重要指标是稳定系数，根据极限平衡理论，海底航道边坡失稳滑塌肯定会存在一个极限平衡状态的滑动面，使滑体处于临界失稳状态，该滑动面摩擦力较小，通常为层面、沉积界面或软弱层，如软塑的淤泥质层。根据该港海底航道浅地层剖面探测和钻探分析，航道存在单一均质层、淤泥层夹杂、黏土软弱层，因此，在对航道边坡稳定性分析时，按照均质边坡层、淤泥软弱层、黏土层针对其抗剪强度的控制因素粘聚力和内摩擦角利用 Geo-Slope 软件分别计算不同边坡、不同沉积性质以及淤泥层所选滑面的安全系数(表2)。

表2为是典型边坡1:7、1:10、变边坡(上层1:10，下层1:5)、变边坡(上层1:10，下层1:7)计算的航道边坡稳定性系数，从中可以看出，边坡不同安全系数不同，1:10边坡安全系数最大，变边坡安全系数与下层边坡坡度关系较大，下层坡角越小，边坡越稳定。粉质粘土层安全系数大于淤泥质粘土层安全系数。从空间分布上看，外航道外段航道边坡安全系数最大，外航道内段航道边坡安全系数次之。这与航道边坡沉积层性质空间分布较为一致，外航道内段航道边坡海相沉积淤泥厚，沉积层的流塑性和强度低，外航道外段航道边坡海相沉积淤泥厚沉积变薄，沉积物粒度粗化，航道边坡沉积层粒度略粗，淤泥质分布不均匀。

表1 波流作用下海底航道边坡安全系数边坡坡度

表2 某淤泥质海底行当边坡安全系数

4.结论

北方某港海底航道沉积层主要为河口三角洲沉积物，沉积物以淤泥质粉砂和粉砂质粘土为主，其次为粉砂质淤泥、粘土质粉砂和粘土。淤泥质海底航道开挖后，航道边坡沉积层受到切割、航道边坡坡肩被水动力改造，坡肩附近被冲刷后，在自重力作用以及潮流的作用下进入航道底部发生淤积，同时坡肩逐步被刷深，坡度变缓，坡阶明显。

利用 Geo-Slope软件对该港海底航道边坡在不同条件下的稳定系数进行了计算，航道边坡在静荷载和动荷载作用下基本处于稳定状态，波流作用下航道边坡比静力作用下航道边坡安全系数大大降低。