浅谈航道护岸工程堆土边坡稳定研究.docx

1、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；

2、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：

3、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

4、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

5、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

6、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

7、.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

8、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

9、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

10、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 10 15 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15 25 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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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，毕肖普条分法计算得到的稳定安全系数要大于瑞典条分法，且随堆土 边距的增大，它们计算结果比值也相应增加。当堆土边距 7.0m 时，填土荷载对土坡稳定不造成影响。 ? 参考文献： 1 仲南艳，殷晓明，王斐 .航道护岸工程基槽边坡稳定研究 J .水运工程， 200 7。 2 卢廷浩 .土力学 M .南京：河 海大学出版社， 2002。 3 张卫民，陈兰云 .地下水位线对土坡稳定的影响分析 J .岩石力学与工程学 报， 2005。 注：文章内所有公式及图表请用 PDF 形式查看。