朱世柱 孟庆祥

(天津海河下游开发有限公司，天津 300457)

水下基槽边坡合理坡率选择探讨

朱世柱 孟庆祥

(天津海河下游开发有限公司，天津 300457)

利用数值分析模型对不同坡度条件下水下边坡的稳定性进行了探讨，分析了不同坡率边坡各位置的应力、位移、变形速率等参数，并对边坡失稳主要原因及破坏发生位置进行了讨论，为类似问题的研究奠定了基础。

数值模拟，水下边坡，坡率，稳定性

1 研究背景

近年国内外兴建了多座沉管隧道，根据所开挖土层的不同，其水下边坡坡率差异较大，一般为1∶(1.5～1.4)(少数情况缓于1∶4，甚至达到1∶8)。这与现阶段水下边坡的计算理论不是很成熟有一定关系，某些情况下理论计算得到的水下边坡坡率较陡，但实际施工时，从安全角度考虑还是选择了较缓的坡率。水下基槽边坡合理坡率的确定，直接影响水下开挖的土方量和管段沉放后的回填土方量，也会影响工程的工期和造价。坡率过缓，基槽开挖量与回填量均较大，工程不经济；坡率过陡，在施工中可能引起边坡坍塌，威胁施工安全。尤其在浮运沉放工程中，如果出现基槽边坡稳定性问题，整个浮运沉放工程可能功亏一篑。因此，基槽边坡合理坡率的确定是工程设计和施工中必须慎重解决的问题。

中央大道海河隧道工程是天津市滨海区中央大道穿越海河的重要节点工程，位于天津市滨海新区于家堡中心商务区和东西沽地区，是沟通滨海新区中心商业区海河南北两岸的重要通道。路线全长4.3 km，其中穿越海河255 m采用沉管法施工工艺。穿越土层主要为淤泥质土，局部为力学性质较差的粉质粘土、粘土夹层。为了保证水下浚挖施工安全，有必要对基槽边坡的合理坡率进行分析研究。本文以中央大道海河隧道为工程背景，运用有限差分数值分析软件，建立三维数值模型，对不同坡度条件下开挖状态水下边坡的稳定性进行探讨。通过比较分析不同坡度基槽边坡各个位置的应力、位移、变形速率等参数，综合分析不同坡度条件下边坡失稳的发生概率及破坏发生的区域位置。

2 分析模型的建立

根据海河隧道实际工况，基槽顶部最深处位于水面以下5 m，开挖深度约为水下15 m(水位绝对标高：0.00 m)，基槽斜坡的开挖宽度为60 m～120 m不等，斜坡坡脚距离基槽中心20 m。为减少边界效应的影响，模型尺寸设定为132 m×10 m×30 m。坡顶标高偏于安全考虑，取-5.0 m，土参数采用固快指标。根据现场实际工程进行计算，模型上表面作用的水荷载和超载共60 kPa，初始水位设为0 m。X方向约束左右边界横向位移，Y方向前后边界约束竖向位移和横向位移，Z方向底面边界约束竖向位移和横向位移，上表面为自由面。水下边坡的土层简化为四层，采用固快指标进行分析，土层厚度及力学参数自浅至深排序见表1。

表1 土层参数取值

参考实际开挖方案，本次分析设计了基槽边坡为1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8等五种坡比进行对比计算，分别改变最上层土体的坡度，并将第②,③层土体坡度固定为1∶4，模拟基槽开挖完成后边坡的竖向、水平位移及应力分布情况。具体计算条件如下：

1)综合坡比为1∶4(边坡从下至上宽度分别为12 m，4 m，16 m)；

2)综合坡比为1∶5(边坡从下至上宽度分别为15 m，4 m，16 m)；

3)综合坡比为1∶6(边坡从下至上宽度分别为18 m，4 m，16 m)；

4)综合坡比为1∶7(边坡从下至上宽度分别为21 m，4 m，16 m)；

5)综合坡比为1∶8(边坡从下至上宽度分别为24 m，4 m，16 m)。

3 计算结果分析

通过分析计算，得到了不同坡率下水下基槽各位置位移和应力的分布情况，部分计算结果见图1。

对数值计算的结果进行分析可知：开挖完成后的水下基槽，随着边坡的坡度增大，竖向和水平位移显著增加。最大竖向位移出现在坡顶附近区域，方向向下；坡脚附近一定范围内处出现竖向位移负值(即土体隆起)，但隆起量不大，发生土体隆起的范围随边坡坡度增大而增大。最大水平位移出现在坡顶下侧的边坡位置，方向指向边坡外侧，而水平方向最大位移大于竖向最大位移。

在位移分析基础上，可以计算出边坡安全系数FS，计算发现，随着边坡坡度的增大，安全系数明显减小。计算位移值和安全系数计算值见表2。此外，本文发现不同坡度下潜在滑动面范围区别明显，坡度较大时，潜在滑动面的规模较大，滑动位移显著；随着坡度减小，潜在滑动面规模和滑动位移也明显减小，这也说明边坡坡度显著影响边坡的稳定性，见图2。因此，综合比较不同坡度的位移、滑移面模拟图和安全系数计算值，分析认为：从工程安全的角度考虑，选择较缓的坡度能够有效提高水下基槽的稳定性。

表2 不同坡率下位移值和安全系数

为与现场实际情况进行比较，本文选取实际工程中5个断面进行了水下检测，由基槽试浚挖过程回淤检测报告可得出各断面回淤情况如图3所示。

图3表明：开挖阶段基槽回淤量较大，1—1断面回淤厚度为2.01 m。海河沉管隧道基槽浚挖土方量约为49万m3，开挖深度为现状河床底以下约13 m。沉管前试开挖发现海河河床多年未进行清淤工作，淤泥层厚，回淤量大且水下作业可视差，风险性高，施工困难，同时考虑开挖和回填土方量，实际开挖时上部坡率采用1∶8。同时为减少基槽回淤量，应该适当放缓表层淤泥层范围内基槽边坡，在河道上下游基槽浚挖附近设置两条回淤槽；在此基础上，精心组织基槽开挖和管段沉放等工序的施工，尽可能缩小基槽开挖和管段沉放的间隔时间，防止时间过长造成淤泥的沉积。

综合考虑基槽上部的回淤量、边坡安全系数、开挖和回填土方量等因素，基槽下部坡率选用1∶4，上部坡率选用1∶8是恰当的。

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On exploration for selection of reasonable slope ratio at underwater foundation trench slope

ZHU Shi-zhu MENG Qing-xiang

(Tianjin Haihe Downstream Development Co., Ltd, Tianjin 300457, China)

The paper adopts the numeric analysis model, explores the underwater slope stability under different slope conditions, analyzes some parameter of the slopes, including the stresses at various positions, displacement and deformation rate, and discusses main reasons for the slope instability and parts with damages, so as to lay the foundation for the research on similar problems.

numeric simulation, underwater slope, slope ratio, stability

1009-6825(2014)36-0063-03

2014-10-15

朱世柱(1981- )，男，工程师； 孟庆祥(1974- )，男，高级工程师

TU413.62

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