某護(hù)岸工程整體穩(wěn)定性驗(yàn)算分析

魏軍揚(yáng)，張靜華，鄭澄鋒

(1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200000；2.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024；3.江蘇天健工程管理咨詢有限公司，江蘇 南通 226007)

某護(hù)岸工程包括橋梁兩側(cè)沿河道兩邊各30 m范圍。護(hù)岸工程邊坡級(jí)別為三級(jí)，環(huán)境類別為Ⅰ類，堤防工程級(jí)別為三級(jí)。護(hù)岸形式采用復(fù)式護(hù)岸，臨河坡度比1∶3，斷面長(zhǎng)度8.68 m，中間設(shè)4.94 m平臺(tái)；臨路側(cè)坡度比1∶1.5，斷面長(zhǎng)度2.4 m。護(hù)岸類型為常規(guī)漿砌塊石護(hù)岸，由于該護(hù)岸為一生態(tài)公園建設(shè)中的部分工程，考慮到景觀要求，部分護(hù)岸也可采用生態(tài)景觀護(hù)岸砌塊形式或抗酸堿綠色生態(tài)袋護(hù)岸形式。該文根據(jù)地質(zhì)勘探資料及規(guī)范要求，參考文獻(xiàn)[1-15]對(duì)該護(hù)岸斷面進(jìn)行穩(wěn)定性分析驗(yàn)算，為相關(guān)工程計(jì)算提供指導(dǎo)和借鑒。

1 土層物理力學(xué)性質(zhì)

經(jīng)野外鉆探、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)，測(cè)得各層土的物理力學(xué)指標(biāo)和原位測(cè)試數(shù)據(jù)，其中計(jì)算所需部分物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 地基土承載力建議值

2 邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算方法

2.1 計(jì)算公式

根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，該護(hù)岸穩(wěn)定性驗(yàn)算采用瑞典圓弧法(見(jiàn)圖1)。

i為土條編號(hào)；l 為單個(gè)土條的滑動(dòng)面長(zhǎng)度(m)，l=bsecθi；θi為條塊的重力線與通過(guò)該條塊底面中點(diǎn)半徑之間的夾角(度)；Wi為條塊重力(kN)，浸潤(rùn)線以上取重度，以下取飽和重度；ci、φi為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，分別為黏聚力、內(nèi)摩擦角，采用總應(yīng)力法時(shí)取總應(yīng)力指標(biāo)，采

2.1.1 通用方法(瑞典條分法)

瑞典條分法是條分法中最古老、簡(jiǎn)單的方法，該方法由于忽略了條間力的作用，不能滿足所有靜力平衡條件，計(jì)算所得安全系數(shù)一般比其他較嚴(yán)格的計(jì)算方法所得安全系數(shù)低。出于對(duì)工程邊坡穩(wěn)定安全的保守考量，中國(guó)規(guī)范建議土坡穩(wěn)定性分析采用該方法。該方法適用于使用工況和施工工況。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：K為由整個(gè)滑體剩余下滑力計(jì)算的安全系數(shù)。

2.1.2 通用方法(瑞典條分法)考慮地震作用

該方法適用于地震工況。依據(jù)JTG B02—2013《公路工程抗震規(guī)范》，該工程建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，可不用考慮豎向地震作用，只需考慮水平向地震作用。水平地震力為：

Esi=CiCzKhφiWWi

(2)

式中：Esi為作用于第i個(gè)土條的水平地震力(kN)；Ci為重要性修正系數(shù)；Cz為綜合影響系數(shù)，一般取0.25；Kh為水平地震系數(shù)，取0.1；φiW為水平地震荷載沿墻高的分布系數(shù)，該工程水平加速度類型為矩形，φiW取1.0；Wi為第i個(gè)土條的重力(kN)，有地下水時(shí)包括地下水的重力。

（1）完善科技人才評(píng)價(jià)體系。探索人才評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的多樣化和個(gè)性化，根據(jù)人才工作性質(zhì)和從事崗位進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，對(duì)應(yīng)用技術(shù)研究人才、科技成果轉(zhuǎn)化人才以及科技創(chuàng)新服務(wù)人才進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，完善相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，改善以往簡(jiǎn)單量化評(píng)價(jià)科技人才產(chǎn)出的做法。

水平地震力對(duì)抗滑力的貢獻(xiàn)(分子)為：

ΔTi=-Esisinθitgφi

(3)

式中：ΔT為水平地震力對(duì)滑弧的抗滑作用(kN)，作用方向?yàn)榛瑒?dòng)反方向。

水平地震力(作用于土條質(zhì)心處)對(duì)下滑力的貢獻(xiàn)(分母)為：

(4)

(5)

式中：ΔP為水平地震力對(duì)滑弧的下滑作用(kN)，作用方向?yàn)榛瑒?dòng)方向；Mc為地震力矩(kN·m)；R為滑弧半徑；yc為圓心的y坐標(biāo)(m)；yE為地震力作用位置的y坐標(biāo)(m)。

該工程在水平地震作用下的安全穩(wěn)定系數(shù)為：

(6)

2.2 計(jì)算說(shuō)明

邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算方法采用瑞典條分法，選擇所有護(hù)岸類型進(jìn)行驗(yàn)算。使用工況和地震工況，按圓弧滑動(dòng)面計(jì)算。根據(jù)地質(zhì)資料，河道兩岸地層起伏較平緩，選擇一個(gè)最不利地質(zhì)斷面進(jìn)行計(jì)算；坡頂超載按5 kN/m計(jì)算。假設(shè)坡腳標(biāo)高為零，各工況組合標(biāo)高見(jiàn)表2。

表2 工況組合

3 護(hù)岸邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算過(guò)程

3.1 施工工況驗(yàn)算

施工工況下穩(wěn)定性驗(yàn)算計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 施工工況計(jì)算模型(單位：m)

采用通用方法即瑞典條分法，滑裂面形狀采用圓弧滑動(dòng)法，暫時(shí)不考慮振動(dòng)作用。計(jì)算目標(biāo)為安全系數(shù)，指定圓心范圍搜索最危險(xiǎn)滑裂面。坡面信息見(jiàn)表3，土層信息見(jiàn)表4。水面信息采用總應(yīng)力法，考慮滲透力作用，不考慮邊坡外側(cè)靜水壓力。土條重切向分力與滑動(dòng)方向反向時(shí)，當(dāng)下滑力對(duì)待；條分法的土條寬度為 0.5 m；搜索范圍最小為X=0.0 m、Y=5.0 m，最大為X=12.0 m、Y=20.0 m；搜索時(shí)圓心步長(zhǎng)為0.5 m，半徑步長(zhǎng)為0.5 m。以坡腳處為坐標(biāo)原點(diǎn)(X=0，Y=0)。

表3 坡面信息

表4 土層信息

根據(jù)式(1)計(jì)算，施工工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K=686.357/404.848=1.695。

若以計(jì)算模型坡腳為原點(diǎn)，最不利滑動(dòng)面滑動(dòng)圓心坐標(biāo)為 (6.50 m，12.26 m)，滑動(dòng)半徑=15.161 m。根據(jù)GB 50286—2013，施工工況下允許最小安全系數(shù)為1.10，而計(jì)算結(jié)果為1.695，該工程施工工況下穩(wěn)定性滿足要求。

3.2 使用工況驗(yàn)算

使用工況計(jì)算模型、控制參數(shù)、坡面信息、土層信息、水面信息、計(jì)算條件等與施工工況相似，驗(yàn)算過(guò)程也基本相同。使用工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K=661.887/329.769=2.007。若以計(jì)算模型坡腳為原點(diǎn)，最不利滑動(dòng)面滑動(dòng)圓心坐標(biāo)為 (7.38 m，14.26 m)，滑動(dòng)半徑=16.634 m。根據(jù)GB 50286—2013，使用工況下允許最小安全系數(shù)為1.20，而計(jì)算結(jié)果為2.007，該工程使用工況下穩(wěn)定性滿足要求。

3.3 地震工況驗(yàn)算

地震工況計(jì)算模型、控制參數(shù)、坡面信息、土層信息、水面信息、計(jì)算條件等與施工工況相似，主要區(qū)別為考慮地震作用。地震烈度7 度，水平地震系數(shù) 0.100，地震作用綜合系數(shù) 0.250，地震作用重要性系數(shù)1.000，地震力作用位置為質(zhì)心處，水平加速度分布類型為矩形。驗(yàn)算過(guò)程與施工工況基本相同。根據(jù)式(6)，地震工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K=666.489/349.448=1.907。若以計(jì)算模型坡腳為原點(diǎn)，最不利滑動(dòng)面滑動(dòng)圓心坐標(biāo)為 (7.14 m，14.36 m)，滑動(dòng)半徑=16.821 m。根據(jù)GB 50286—2013，地震工況下允許最小安全系數(shù)為1.05，而計(jì)算結(jié)果為1.907，該工程地震工況下穩(wěn)定性滿足要求。

各工況下該工程穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 河道邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)按照設(shè)計(jì)斷面的放坡坡率進(jìn)行護(hù)岸，施工工況、使用工況、地震工況下護(hù)岸的整體穩(wěn)定性系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

(2)安全系數(shù)使用工況大于地震工況，地震工況大于施工工況，施工中需加強(qiáng)護(hù)岸擋墻等構(gòu)筑物的抗滑能力，如在一些擋墻下部增設(shè)抗滑凸隼，甚至可增設(shè)方樁等，以增強(qiáng)護(hù)岸的穩(wěn)定性。在保證護(hù)岸穩(wěn)定性的前提下，加強(qiáng)臨河護(hù)岸的防沖刷性能。建議護(hù)岸類型除采用常規(guī)漿砌塊石護(hù)岸外，也可采用生態(tài)景觀護(hù)岸砌塊形式或抗酸堿綠色生態(tài)袋護(hù)岸形式，以獲得更好的生態(tài)景觀效果。