不均匀地基条件下淤泥质河道整治开挖岸坡稳定性分析

王启凡,钟琦皓,刘菲菲,蒋晓艳

(1.华设设计集团股份有限公司 常州分公司,江苏 常州 213000;2.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司,南京 210000;3.淮安市水利勘测设计研究院有限公司,江苏 淮安 223001)

0 引 言

淤泥质河道整治工程中,岸坡的结构稳定性不仅会影响到施工质量,同时也会对周边水土环境产生影响。因此,为了保证淤泥质河道整治工程的顺利开展,需要对河道岸坡的稳定性进行分析。通过构建分析模型,对岸坡结构的演变情况进行推演,为岸坡河道施工提供数据帮助。

文献[1]以大体积岸坡作为研究对象,探究了水位升降因素对于岸坡稳定程度的影响。文献[2]通过构建土水特征曲线,对不同岩质结构下的岸坡稳定情况进行了模拟分析。文献[3]以碎石桩复合地基岸坡作为研究对象,探究了周期性潮位对于岸坡结构的影响程度。文献[4]采用层次分析理论,对影响岸坡结构的相关因素进行了归纳和分析。上述方法可在一定程度上实现对岸坡稳定性的分析,但由于未考虑到岩土力学参数的影响,导致最终计算的岸坡位移值与实际值之间的差距较大,影响了最后的分析结果。

因此,为了对上述问题进行优化,本文以淤泥质河道整治工程中的岸坡作为研究对象,通过对影响因素进行归纳与分析,提出一种新型的分析方法,旨在优化方法的分析性能,针对岸坡位移的演变情况进行精准预测。

1 不均匀地基条件下淤泥质河道整治开挖岸坡稳定性分析

1.1 不均匀地基条件下淤泥质河道整治开挖岸坡稳定影响因素分析

在不均匀地基条件下,淤泥质河道整治开挖工程的岸坡稳定性,会受到包括水文条件在内的多种因素的影响。因此,为了分析岸坡稳定性,本文首先针对岸坡稳定影响因素进行分析,明确不同因素对于岸坡稳定性的影响程度,从而选定分析指标[5]。

为此,本文通过建立岸坡几何模型,探究岩土力学参数、水文条件以及边坡几何参数,对于岸坡稳定性的影响。首先,受到不均匀地基条件的影响,岩土力学参数是影响岸坡稳定性的最直接因素。一般情况下,岸坡自身的结构强度与稳定性呈正相关[6]。而影响结构强度的岩土力学参数主要包括内部因素和外部因素,其中,内部因素主要包括内摩擦角、岩体抗拉强度、岩体黏聚力、弹性模量等;外部因素主要指的是岸坡结构的外部环境影响因素。

为了便于分析,本文主要针对岸坡的内部因素进行分析与讨论[7]。本文所构建的岸坡几何模型结构见图1。

图1 岸坡几何模型结构图

图1中,H为岸坡坡高;α为岸坡坡角;β为结构面倾斜角度。

为了探究不同的几何参数对于岸坡稳定性的影响,上述3种几何参数取值见表1。

表1 岸坡几何参数取值

以上述岸坡模型的几何参数作为输入变量,将其输入Geo-static软件中进行模拟分析,通过计算不同坡度下的安全系数,比较不同因素对于岸坡稳定性的影响程度。首先计算岸坡结构的综合安全系数,公式如下:

(1)

式中:ks为岸坡结构的综合安全系数;kb为淤泥质河道土体的折减系数;kc为淤泥质河道土体的强度衰减系数。

通过上述步骤,即可计算出不同几何参数下的岸坡综合安全系数。由于岩层结构面倾角与岸坡坡角对于岸坡稳定性影响程度之间的差异较小,因此本文仅选取坡高以及岸坡坡角两个几何参数用于分析。将表1中的边坡几何参数输入分析模型中,得到的关系图见图2[8]。

图2 坡度与岸坡安全系数的关系

由图2可知,当岸坡的岩层倾角为固定值时,在不同坡高条件下,安全系数与坡度呈负相关,即坡度越大,岸坡的稳定性也就越差[9]。这主要是由于当岸坡的坡度超过岸坡土体内摩擦角时,岸坡土体表面的下滑力要远高于摩擦力的承受范围,因此易出现边坡失稳情况。

坡高与安全系数之间的关系见图3。由图3可知,在岩层倾斜角度一定时,坡高与岸坡安全系数呈负相关,即坡高越高,岸坡的稳定性越差。这主要是由于随着岸坡高度的增加,岸坡底部的应力越集中,越容易出现局部失稳的情况[10]。

图3 坡高与岸坡安全系数的关系

上述分析表明,岸坡几何参数与岸坡结构稳定性呈负相关,研究结果可为后续岸坡稳定性分析提供帮助。

1.2 岸坡稳定性计算参数选取

在完成岸坡稳定性影响因素分析后,根据上述分析结果,对岸坡稳定性的计算参数进行选取,用于后续的稳定性分析。由于岸坡内部存在土体渗流情况,而渗流程度对于岸坡的稳定性也有一定影响。因此,为了分析岸坡稳定性,本文结合岸坡内部土水特征曲线,构建岸坡土体基质吸力预测方程。方程表达式如下:

(2)

(3)

式中:Q为岸坡内部土体的体积含水量;θS为土体内部基质吸力;φ为基质吸力参数;n为岸坡内部土体水流出率对应的土性参数;m为土体所吸收的水体对应的水流出率土性参数;a为土体进气值对应的土性参数;φr为土体内部水体流失量对应的基质吸力。

通过上述步骤,即可构建岸坡土体基质吸力预测方程,对基质吸力情况进行合理预测。除了土体渗流情况以外,在不均匀地基条件下,岸坡内部结构中的土体均处于非饱和状态,因此土体中会存在气体。研究表明。内部存在气体的土体比饱和状态下的土体渗透程度更低,而土体渗透程度也会直接影响岸坡结构的稳定性[11]。同时,土体的渗透程度与土体基质吸力一样,均会随着内部水分含量的变化而产生波动。因此,可以通过构建渗透系数与土体含水量之间的函数关系,探究渗透系数对于岸坡结构稳定性的影响。函数表达式如下:

(4)

式中:kw为岸坡内部结构中土体的渗透系数;kp为饱和状态下的土体渗透系数;y为虚拟积分变量;ψ为土体饱和状态下对应的基质吸力差值;Q′为土体内部体积含水量对应的一阶导数。

基于上述对土体渗透系数以及内部基质吸力的分析,本文选定的基本参数以及相关取值见表2[12]。

表2 稳定性计算参数及描述

通过上述步骤,即可选取出关于岸坡稳定性的相关计算参数。通过对土体渗流情况和土质渗透系数进行分析,得到相关计算参数变量,为后续的稳定性分析提供可靠的数据支持。

1.3 岸坡稳定性分析

通过上述岸坡稳定影响因素分析可知,岸坡的结构稳定性与其内部的水体压力有一定关系。因此,本文假设淤泥质河道整治开挖岸坡受到的压力为静水压力,具体示意图见图4[13]。

图4 岸坡静水压力假设

考虑到岸坡土体的渗透力会施加在水体的滑移平面上方,为了便于分析,本文将土体渗透力的施压方向设为垂直方向,由此可以计算出净水压力值。计算公式如下:

(5)

式中:P为河道岸坡平面受到的静水压力;h为岸坡高度;γw为静水施力参数。

在完成静水压力假设后,结合反分析理论,对岸坡稳定安全系数进行求解,从而实现岸坡稳定性分析。因此,本文以上文选定的稳定性计算参数作为输入变量,构建因素分析表达式。具体公式如下:

S=f(E,c,φ,v,D,T)

(6)

式中:S为岸坡位移量;E、c、φ、v、D、T分别为对应表2中的稳定性计算参数。

结合式(6)的计算结果,本文构建岸坡稳定性分析指标,具体指标见表3。

表3 岸坡稳定性分析指标

通过上述步骤,即可构建出淤泥质河道整治开挖岸坡稳定性分析指标。通过计算岸坡位移量以及具体稳定性分级标准,实现对于岸坡的稳定性分析[14]。

通过上述步骤,即可完成对岸坡稳定性的分析。通过对岸坡静水压力进行假设,对岸坡位移量进行求解,并构建出岸坡稳定性分析指标,实现稳定性分级。将本节内容与上述提到的稳定因素分析以及计算参数选取等相关内容进行结合,至此,不均匀地基条件下淤泥质河道整治开挖岸坡稳定性分析方法设计完成[15]。

2 试验论证

为了验证本文提出的不均匀地基条件下淤泥质河道整治开挖岸坡稳定性分析方法的分析效果,优于常规淤泥质河道整治开挖岸坡稳定性分析方法,在理论部分设计完成后,构建试验环节,检验本文方法的分析预测效果。

2.1 试验说明

为了验证本文提出的不均匀地基条件下淤泥质河道整治开挖岸坡稳定性分析方法的有效性,本次试验选取两种常规的河道岸坡稳定性分析方法作为对比对象,分别为基于模糊评价法的河道岸坡稳定性分析方法及基于层次分析法的河道岸坡稳定性分析方法。通过构建试验平台,采用3种分析方法,对同一组模型的稳定性进行分析,对比不同分析方法的实际分析性能。

2.2 试验准备

本次选取的试验对象为某经济开发区的河道整治工程。该工程区域的河道施工采用围堰施工的方式,围堰采用填土堤芯,袋装土护坡和护面,考虑非汛期施工,围堰顶高程按河道常水位上限3.80m加0.50m超高确定为4.30m,围堰顶宽2m(主河分段围堰顶宽2m,顶高3.80m;支河围堰顶宽1.5m,顶高3.80m),围堰临水侧边坡1:2,背水侧边坡1:1.5。

该地区所在区域属长江下游冲积平原,总体地势低洼平坦。其中,地面高程低于5.8m的面积约95.7km2,占境内总面积的52.8%;低于6.08m的面积约106.8km2,占比58.9%。

本次试验主要针对工程中的河道岸坡进行稳定性分析。河道岸坡施工图见图5。

图5 岸坡施工现场图

为了对上述施工工况中的岸坡稳定性进行分析,通过实地考察,提取岸坡各土层的相关参数,最终确定该岸坡的土层结构除了表层的施工面板以外,一共包括4层,分别为素填土、砂砾、淤泥质土以及强风化粉砂岩。各土层的强度参数见表4。

表4 土层强化参数

根据上述土层强化参数,采用模拟软件MATLAB,构建河道岸坡模型,分别采用不同的稳定性分析方法进行分析,岸坡模型的具体结构见图6。

图6 河道岸坡模型结构图

为了提高试验结果的可靠性,本次选取3种不同的工况用于试验分析,每种工况的面板荷载均有所不同。其中,工况一的面板荷载力为30kPa;工况二的面板荷载力为45kPa;工况三的面板荷载力为60kPa。通过针对3种不同工况下的河道岸坡模型进行稳定性分析,对比不同分析方法对于岸坡位移值的计算性能。

2.3 分析性能对比结果

本次对比试验选取的对比指标为不同分析方法对于岸坡位移值的计算精度,具体衡量指标为岸坡位移误差值,该值越低,表明方法的分析性能越好。试验结果见图7-图9。

图7 工况一的岸坡位移误差对比结果

图8 工况二的岸坡位移误差对比结果

图9 工况三的岸坡位移误差对比结果

由图7-图9可知,在针对荷载条件下的岸坡模型进行稳定性分析时,不同方法对于位移的计算精度有所不同,且位移误差随着荷载力的增大而不断增大。通过数值对比可以看出,本文提出的不均匀地基条件下淤泥质河道整治开挖岸坡稳定性分析方法,具备更高的分析精度,其位移误差值明显低于两种传统分析方法计算的位移值,且误差值不会随着荷载力的变化出现较为明显的波动,表明本文提出的岸坡稳定性分析方法的分析性能优于常规的分析方法。

3 结 语

针对常规河道岸坡稳定性分析方法对于岸坡位移值计算误差较大问题,本文通过分析岸坡稳定影响因素,提出了一种新型的岸坡稳定性分析方法。试验结果表明,本文方法能够针对岸坡的位移值进行精准预测。