浅谈航道护岸工程堆土边坡稳定研究.docx

浅谈航道护岸工程堆土边坡稳定研究 摘 要：边坡工程都是航道整体工程不可分割的部分，为保证工程运行安全及节约经费，广大学者对边坡的演化规律、边坡稳定性及滑坡预测预报等进行了广泛研究。然而，随着人类工程活动的规模扩大及经济建设的急剧发展，边坡工程中普遍出现了高陡边坡稳定性及大型灾害性滑坡预测问题。本文从极限平衡原理出发，针对不同的边坡坡度、堆土边距，研究了瑞典法计算某航道护岸工程临界堆土荷载，分析比较了瑞典条分法和毕肖普条分法的差异，得出了在多层土 稳 定计算中毕肖普法比瑞典法的安全系数略大；边距大于7.0m时，堆土荷载对土坡稳定不造成影响的结论，为航道护岸建设提供参考。 关键词：边坡坡度；堆土边距；边坡稳定 引言：航道护岸工程基槽开挖侧面堆土时常发生滑坡失稳现象，从而影响施工进度，造成经济损失 和安全事故。随着社会进步及经济发展，越来越多地在工程活动中涉及边坡工程问题，通过长期的工程实践，工程地质工作者已对边坡工程形成了比较完善的理论体系，并通过理论对人类工程活动，进行有效地指导。本文运用瑞典条分法和 毕肖普法，就土坡坡度、堆土边距、堆土压力等因素对护岸边坡稳定性进行了研究，提出相 应的预防措施，可供相关人员参考。 ?1 概况? 根据工程初步设计报告，最高通航水位为3.40m，最低通航水位为1.03m，常水位为1.57m。 地质情况分布如下： 1） 粉质黏土及黏土：黄褐色，湿饱和，一般呈软塑可塑状态，局 部呈硬塑状态，局部粉砂，含云母，铁锰氧化物斑点，偏高压缩性，分布较稳定。 2） 淤泥 及淤泥质黏土：灰黑色，灰深灰色，饱和，流塑状态，局部为软塑状态，无臭味或少许臭 味，含少许贝壳，含云母及少量腐殖物，夹薄层粉土、粉砂，具高含水量，高压缩性，高灵 敏性，该层埋深较浅，分布连续，厚度变化很大，分布较稳定。各土层厚度、重度、黏聚力 及内摩擦角见表1。 基坑边坡断面见图2，其中，第一层土为粉质黏土及黏土；第二层土为淤泥及淤泥质黏土。 ? 2 护岸堆土稳定性分析? 目前，边坡稳定分析理论主要有极限平衡理论、塑性极限分析、模糊极值理论和有限单元法。极限平衡理论又可分为两类：一类是将滑动土体作为一个整体来考虑，这类 方法包括整体圆弧滑动法和Taylor图表法。另一类是条分法，就是将滑动土体分成许多个竖 向的土条，考虑每一个土条的静力平衡，其中最著名、应用最广泛的是瑞典条分法和毕肖普条分法。本文同时运用瑞典条分法和毕肖普条分法，就堆土高度及堆土边距因素对护岸稳定 进行研究，并比较两种方法的不同。? 2.1 瑞典条分法护岸边坡稳定性? 2.1.1 瑞典条分法基本原理。瑞典条分法假设滑动面为圆弧面，见图3。不考虑条间作用力，任一土条的作用力有：土条自重Gi；滑面上的抗剪力Ti和法向力Ni。? ?式中：?i为土条i的滑动面与水平面的夹角；l?i为土条i在滑动面处的弧长；c?i 为土条i滑动面上的粘聚力；?i为土条i滑动面上的内摩擦角；r?i土条i的重度。? 2.1.2 瑞典条分法应用。 在验算护岸设计临界稳定过程中，仅分析土坡坡度、填土堆土边距和填土压力。计算时，取垂直截面1m长土坡作为计算单元，土压力力简化为均布力，土条宽度取0.25m，搜索圆心步 长取0.25m，搜索半径步长取0.25m。假定不同土坡坡度，分别取1.41、1.21、11、0. 81、0.61，验算护岸临界均布土压力与堆土边距的相互关系，计算结果见图4。? 当坡度一定时，临界均步土压力与堆土边距成线形增长关系。对各数值点进行二次拟合，结果见表2，随着坡度的增加，与斜率成线性递减关系，相差在 0.2左右，线性相关系数为0.997、0.998。 ? 2.2 毕肖普条分法护岸边坡稳定性? 2.2.1 毕肖普条分法基本原理。 毕肖普条分法假定滑动面为圆弧面，它考虑了土条侧面的作用力，并假定各土条底部滑动面 上的抗滑安全系数相同。在图3中土条的竖向力的平衡条件为：?Gi-Tisini-Nicosi=0 (9)? 据摩尔-库伦理论，安全系数K；切向抗剪力T?i和有效法向反力N?i存在如下的关系：? 将(2)式带入(1)得：? 2.2.2 毕肖普条分法应用及与瑞典条分法对比。为了与瑞典条分法计算结果进行对比，假定坡度为1.41一种工况，分别采用毕肖普条分法 和瑞典条分法计算土坡稳定安全系数，结果见表 3。 从表中的数据可以得知：在同等情况下，毕肖普条分法计算结果要大于瑞典条分法，这是因 为毕肖普条分法考虑了土侧的作用力。随着堆土边距的增大，毕肖普条分法与瑞典条分法计 算结果比值也相应地增加，当堆土边距为7m时，其比值高达1.23，这是由于土坡堆土距折坡 点过远，其作用力对土坡稳定不造成影响，因此护岸基槽开挖，堆土边距应大于7.0m。? 3 边坡稳定其他因素影响分析? 影响边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面，内在因素包括组成边坡的地貌特征、岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力等。外部因素包括水的作用、岩体风化程度、工程荷载条件及人为因素。内在因素对边坡的稳定性起控制作用，外部因素起诱发破坏作用。 1)岩土性质和类型 岩性对边坡的稳定及其边坡的坡高和坡角起重要的控制作用。坚硬完整的块状或厚层状岩石如花岗岩、石灰岩、砾岩等可以形成数百米的陡坡，如长江三峡峡谷。而在淤泥或淤泥质软土地段，由于淤泥的塑性流动，几乎难以开挖渠道，边坡随挖随塌，难以成形。黄土边坡在干旱时，可以直立陡峻，但一经水浸土的强度大减，变形急剧，滑动速度快，规模和动能巨大，破坏力强且有崩塌性。松散地层边坡的坡度较缓。不同的岩层组成的边坡，其变形破坏也有所不同，在黄土地区，边坡的变形破坏形式以滑坡为主；在花岗岩、厚层石灰岩、沙岩地区则以崩塌为主；在片岩、板岩、千枚岩地区则往往产生表层挠曲和倾倒等蠕动变形。在碎屑岩及松散土层地区，则产生碎屑流或泥石流等。 2)地质构造和岩体结构的影响 在区域构造比较复杂，褶皱比较强烈，新构造运动比较活动的地区，边坡稳定性差。断层带岩石破碎，风化严重，又是地下水最丰富和活动的地区极易发生滑坡。岩层或结构的产状对边坡稳定也有很大影响，水平岩层的边坡稳定性较好，但存在陡倾的节理裂隙，则易形成崩塌和剥落。同向缓倾的岩质边坡(结构面倾向和边坡坡面倾向一致，倾角小于坡角)的稳定性比反向倾斜的差，这种情况最易产生顺层滑坡。结构面或岩层倾角愈陡，稳定性愈差。如岩层倾角小于1015的边坡，除沿软弱夹层可能产生塑性流动外，一般是稳定的；大于25的边坡，通常是不稳定的；倾角在1525的边坡，则根据层面的抗剪强度等因素而定。同向陡倾层状结构的边坡，一般稳定性较好，但由薄层或软硬岩互层的岩石组成，则可能因蠕变而产生挠曲弯折或倾倒。反向倾斜层状结构的边坡通常较稳定，但垂直层面或片理面的走向节理发育且顺山坡倾斜，则亦易产生切层滑坡。 3)水的作用 地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。不少滑坡的典型实例都与水的作用有关或者水是滑坡的触发因素，处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的作用，而不透水的边坡，将承受静水压力；充水的张开裂隙将承受裂隙水静水压力的作用；地下水的渗流，将对边坡岩土体产生动水压力。水对边坡岩体还产生软化或泥化作用，使岩土体的抗剪强度大为降低；地表水的冲刷，地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。不同结构类型的边坡，有其自身特有的水动力模型。 (1) 静水压力 作用于边坡的静水压力主要包括两种情况：其一是当边坡被水库淹没时，库水对边坡面所产生的静水压力；其二是当裂隙岩石边坡的张裂隙充水时，裂隙中的水压力。 边坡坡面上的静水压力：当边坡被水淹没，而边坡的表部相对不透水时，坡面上将受一定的静水压力，静水压力的方向与坡面正交。当边坡的滑动面(软弱结构面)的倾角小于坡角时，则坡面静水压力传到滑动面上的切向分量为抗滑力，对边坡稳定有利。当时，则切向分量为下滑力，则不利于边坡的稳定。 边坡裂隙静水压力：有张裂隙发育的岩石边坡以及长期干旱的裂隙粘土边坡，如果因降雨或地下水活动使裂隙充水，则裂隙面将承受静水压力。 由于裂隙水活动的不规律性，岩体中的地下水位通常不是圆滑的曲线。在相邻裂隙的地下水位不同时，地下水位高的裂隙较地下水位低的裂隙承受较大的静水压力，这种静水压力的差别，有时是使边坡失稳的原因之一。 由于地下水出口节理裂隙敞开情况不同，也影响裂隙水压力的大小，因而影响边坡的稳定。出口节理张开，地下水位低，裂隙水压力小；出口节理闭合，透水性差，则地下水位高，裂隙水压力大。如作用在岩块底部滑面上的静水压力，有时可使覆岩块隆胀(静水压力等于上覆岩块重)，而使边坡稳定严重恶化。 (2)浮托力 处于水下的透水边坡，承受浮托力的作用，使坡体的有效重量减轻，这对边坡的稳定不利。不少水库周围松散堆积层边坡，在水库蓄水时发生变形，浮托力的影响是原因之一。对处于极限稳定状态，依靠坡脚岩体重量保持暂时稳定的边坡，坡脚被水淹没后，浮托力对边坡稳定的影响就更加显著。 (3)动水压力 动水压力是地下水在流动过程中所施加于岩土体颗粒上的力。它是一种体积力。动水压力的方向和水流方向平行，在近似计算中，多假定与地下水面或滑面平行，如果动水压力方向和滑体滑动方向不一致，则应分解为垂直和平行于滑面的两个分量参与稳定计算。在边坡稳定的实际计算中，由于渗流方向不是定值，且水力梯度不易精确确定，一般则作简化假定，以采用不同的滑体块体密度将动水压力的影响计入。即在地下水位以下静水位以上有渗流活动的滑体，计算下滑力时，采用饱和块体密度；计算抗滑力时，采用浮块体密度。 4) 工程荷载 在水利水电工程中，工程荷载的作用影响边坡的稳定性。例如，拱坝坝肩承受的拱端推力、边坡坡顶附近修建大型水工建筑物引起的坡顶超载、压力隧洞内水压力传递给边坡的裂隙水压力、库水对库岸的浪击淘涮力、为加固边坡所施加的力，如预应力锚杆时所加的预应力等都影响边坡的稳定性。由于工程的运行也可能间接地影响边坡的稳定，例如由引水隧洞运行中的水锤作用，使隧洞围岩承受超静水荷载，引起出口边坡开裂变形等。 4 结束语：? 土坡坡度一定时，护岸堆土容许荷载将与堆土边距成正比。在同等情况下