草塘灣海堤邊坡穩(wěn)定分析

林華鋼

（珠海市堤圍管理中心 廣東 珠海 519000）

海堤是我國沿海地區(qū)防洪工程體系的重要組成部分，海堤邊坡穩(wěn)定是海堤建設與管理中重點解決的問題之一，是巖土工程領(lǐng)域基本而重要的課題，在公路、水利、港口工程中經(jīng)常碰到。沿海地區(qū)地基均為軟土，具有承載力低、變形大的特點，海堤在自重和水壓力等荷載作用下容易發(fā)生局部或整體失穩(wěn)，因此海堤的邊坡穩(wěn)定是工程中的重要環(huán)節(jié)。

1 工程概括

草塘灣海堤位于珠海市金灣區(qū)三灶鎮(zhèn)，保護著珠海機場、吉林大學珠海校區(qū)、機場快速公路等重要基礎設施,對保護區(qū)內(nèi)人民生命財產(chǎn)和社會穩(wěn)定發(fā)揮著極其重要的作用。

草塘灣海堤全長3013m，屬于2級堤防，工程防洪設計標準為五十年一遇設計高潮位2.41m，五十年一遇設計低潮位-2.00m。海堤為斜坡復式結(jié)構(gòu)斷面形式，結(jié)構(gòu)護砌采用砌石、鋼筋混凝土等材料。海堤設計堤頂高程為4.00m，寬度為5m，外坡坡度分兩部分，平臺上部坡度為1∶2.5，平臺下部坡度為 1∶4。

2 穩(wěn)定計算原理及方法

2.1 穩(wěn)定計算原理

邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡理論、塑性極限分析、模糊極值理論和有限單元法等，其中以極限平衡理論在實際工程應用較多。極限平衡理論只考慮默爾庫倫破壞準則和土的靜止平衡條件，把滑動土體進行條分，通過分析土體在極限狀態(tài)下土體破壞那一刻土條受的靜力平衡和力矩平衡來分析邊坡的穩(wěn)定性。極限平衡理論以簡布法、瑞典法、簡化畢肖普法等為代表的條分法，可用于均質(zhì)或非均質(zhì)土坡的穩(wěn)定計算。

本文海堤邊坡穩(wěn)定計算研究采用的是極限平衡法中簡布法。簡布法是一種同時滿足靜力平衡和力矩平衡的極限平衡法，假設土體破壞面是非圓弧形，根據(jù)土條的平衡條件求出土條間作用力，根據(jù)推力作用線來求出法向力的作用點，計算各土條之間的切向條間力等于零，再修正穩(wěn)定系數(shù)。

簡布法安全系數(shù)的公式為：

表1 C T 1+500斷面土層物理參數(shù)取值

式中，ci為土體凝聚力，φ為土體內(nèi)摩擦角，Wi為第 i個土條重量，bi為第 i土條寬度，θi為第i土條底部的傾角。

聯(lián)合上式，利用迭代法可以求得普遍條分法的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs。

2.2 穩(wěn)定計算方法

邊坡穩(wěn)定計算采用是應用邊坡穩(wěn)定性分析軟件Geo-slope。第一步是應用Seep子程序進行暫態(tài)滲流計算，求出不同時間下的滲流場。第二步是把滲流場中的水頭值輸入到邊坡穩(wěn)定性分析軟件Geo-slope中，應用條分法求出滑動體的穩(wěn)定性系數(shù)。應用軟件Geo-slope進行邊坡穩(wěn)定計算的關(guān)鍵是如何使Seep子程序中的有限元水頭值轉(zhuǎn)到Geo-slope中，首先將Seep子程序中的有限元網(wǎng)格引入到Geo-slope程序，建立新的穩(wěn)定性分析模型，在每一個潛在的滑動面上找出土條的底面中心點和相應的土體單元，利用Seep子程序傳遞給Geo-slope程序所有的節(jié)點水頭信息，Geo-slope程序找到各土條底面中點在其單元中的相對坐標及其相應的插值函數(shù)矩陣，計算底面中心點處的水頭值。

3 邊坡穩(wěn)定計算

本研究選取CT1+500典型斷面進行穩(wěn)定計算。穩(wěn)定計算目的是找出最危險滑動面，得出穩(wěn)定安全系數(shù)。

3.1 計算模型

根據(jù)工程勘查資料，邊坡穩(wěn)定計算分析模型劃分為6個材料區(qū)域，即新填土區(qū)域、人工堆積土區(qū)域、淤泥區(qū)域、泥沙區(qū)域、淤泥粉質(zhì)粘土區(qū)域和粉細砂區(qū)域。

3.2 計算工況

計算工況包括設計高潮位工況和設計高潮位快降工況。高潮位工況時臨水坡水位線高度2.41m，背水坡地表水位線高度0.00m。設計高潮位快降工況時臨水坡水位線高度2.41m，背水坡地表水位線高度0.00m，水位從2.41m快速降落到-2.00m，使用時間為6小時。

3.3 計算參數(shù)

海堤邊坡穩(wěn)定計算主要針對臨水邊坡，主要考慮設計高潮位工況和設計高潮位快降兩種不利工況，涉及的參數(shù)有：抗剪強度指標C和φ，干容重γd，濕容重γw，飽和容重γsat。土層物理力學指標取值見表1。

4 計算結(jié)果和分析

海堤計算剖面的抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果見圖1、圖2。由計算結(jié)果知：

（1）海堤在高潮位工況下，滑坡發(fā)生在背水坡。海堤在高潮位驟降工況下，滑坡發(fā)生在臨水坡。高潮位驟降工況下計算所得安全系數(shù)較高潮位工況小，即說明高潮位驟降工況比高潮位工況危險，與海堤滑動經(jīng)常發(fā)生在高潮退潮過程時的實際情況吻合。其原因為水位快降后的浸潤線較高，不利于海堤穩(wěn)定的孔隙水壓力較大，因此水位快降工況的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于高潮位工況。

（2）草塘灣海堤為2級建筑物，《廣東省海堤工程設計導則（試行）》規(guī)定，設計高潮位情況的背水坡和設計高潮位驟降情況的臨水坡的海堤整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.25。顯然，已完建的草塘灣海堤加固達標工程海堤整體抗滑穩(wěn)定安全性滿足規(guī)范要求。

計算結(jié)果表明，海堤在設計高潮位工況和設計高潮位快降工況均能滿足要求，具有良好的邊坡穩(wěn)定性，不會發(fā)生邊坡穩(wěn)定破壞。陜西水利

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