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某二线船闸引航道开挖边坡稳定性分析与优化

2020-01-03王志鹏刘瑞华

中国水运 2020年12期
关键词:渗流安全系数优化方案

王志鹏 刘瑞华

摘 要:为研究高水位渗流和强降雨入渗对基坑开挖边坡的稳定性问题,以某二线船闸上游引航道开挖边坡为例,采用GeoStudio软件进行计算分析,得出高水位渗流对开挖边坡的稳定性不利,强降雨入渗加剧了边坡失稳。基于此,提出减缓土质边坡开挖坡比和加宽土质边坡马道两种优化设计方案,计算两种方案在渗流和渗流加降雨条件下的边坡安全系数,结果表明:两优化方案均在一定程度上强化了边坡的稳定性,但加宽马道方案的效果更好,上述研究可为类似工程提供经验参考。

关键词:边坡;降雨;渗流;安全系数;优化方案

随着我国腹地经济的快速发展,水上运输的需求量与日俱增,为此,需要提高航道等级和通航建筑物的建设,以提升内河通航能力。提升航道等级的同时还需考虑提升船閘等级,目前提升船闸等级常用的方法是对船闸进行改扩建。船闸改扩建过程中,边坡开挖的稳定性一直以来备受工程界关注,特别是在我国南方地区常出现因降雨和渗流而导致边坡失稳的事件。

针对边坡开挖的稳定性问题,已有大量学者和工程人员进行相关研究,汪映红[1]基于某二线船闸工程,分析水位变化对边坡的渗流与稳定性影响;戴会超[2]对长江三峡船闸工程边坡进行降雨入渗分析,得出高边坡在连续降雨条件下渗流场的时空分布规律;陈宏伟[3]建立一套边坡在强降雨条件下的稳定分析方法,并结合实际工程进行验证分析。

上述研究中分别对边坡渗流及边坡降雨入渗问题进行阐述和分析,而本文旨在研究渗流和降雨入渗共同条件下边坡的稳定性,并以某二线船闸上游引航道开挖边坡工程为例,采用GeoStudio软件分析边坡在高水位渗流与强降雨入渗条件下的稳定性,并提出两种边坡开挖优化方案和比选,为相关工程提供参考。

1数值计算基本理论简介

1.1基本理论介绍

GeoStudio数值软件对于边坡的渗流和降雨稳定性分析主要采用地下水渗流分析模块(SEEP/W)[4]和边坡稳定分析模块(SLOPE/W)[5]。SEEP/W模块分析土体渗流与降雨问题主要是基于非饱和土体渗流计算理论,根据土体渗透系数与水位变化特征,分析土体中渗流规律与含水率的变化情况。SLOPE/W模块分析边坡稳定性问题主要是基于极限平衡理论,将滑坡土体分割成n个小土条,根据每个土条的受力特征建立平衡方程,从而求得边坡安全系数。本文对边坡稳定性分析采用Morgenstern-Price法,该方法将土条间切向力T与法向力E的相互关系用函数表现出来,表达式为T=Eλf(x),f(x)为条间力函数。根据土条间的受力特征,如图1所示(图中dN、dUi、dS、dW分别为土条底部的有效法向力、孔隙水压力、剪切力及重力),建立力平衡方程和力矩平衡方程,确定出T、E和Fs的相关关系,因切向力T与法向力E的函数表达式,得出λ与Fs的关系。假定一个λ值和Fs值,对土条进行积分,得到滑坡面所有土条的力矩与条间力,若力矩与力的平衡条件无法满足,改变λ和Fs数值,进行迭代,直至整体达到平衡要求,则达到平衡时的Fs数值为计算边坡的安全系数Fs,如图2所示。

2计算模型建立与工况选取

2.1 工程背景介绍

某二线船闸等级为Ⅲ级,闸室尺度为180m×23m×3.5m(长×宽×门槛水深),拟建二线船闸上游引航道部位为原一线船闸基坑开挖弃土场,土质较为松散,填筑土层高。该区域降雨时段长,雨量丰富,常年降雨量在1150~1350mm,夏季雨量集中,多暴雨,降雨和渗流将进一步对边坡造成不利影响。本文选取该工程中上游引航道最不利计算断面Ⅰ-Ⅰ进行分析,如图3所示。

2.2 计算模型建立与岩土参数的选取

本计算模型首先采用SEEP/W模块建立模型,输入渗流、降雨参数和边界条件,计算模型中的浸润线;然后在SLOPE/W模块输入土体强度力学指标,分析边坡的稳定性。模型计算域长为80m、高为36m,其中边坡分为三级,两、三级坡高分别为5m和4.5m,坡比为1:1.5,一级坡高为7.6m,坡比为1:0.5,且每级边坡间都有2m宽马道,如图4所示。模型中左右侧水位边界条件选取地下水位和一线船闸上游水位。根据工程经验,右侧水位选取一线船闸上游十年一遇洪水位,数值为75.82m,左侧水位选取坡底地下水位68.6m。

本工程地质主要为填筑土、粉土、强风化和中风化泥质砂岩,其主要力学参数见表1。

2.3 计算工况的选择

根据工程地区气候特征和一线船闸运行特征,拟建立两种计算工况,工况一为十年一遇洪水位(上游水位为75.82m,下游水位为75.54m。)条件下,研究渗流对边坡稳定性影响;工况二结合当地近两年降雨资料,选取十年一遇洪水位和降雨强度为73.5mm/1d(暴雨),持续1.5天的条件,研究降雨和渗流共同作用下边坡的稳定性。

3 边坡稳定性分析与优化设计

3.1 原边坡的稳定性分析

根据工况一、二,计算得出边坡安全系数,如图5所示,可知该边坡在渗流条件下,边坡滑移面主要发生在填筑土层,边坡安全系数为0.99;降雨与渗流共同作用下,边坡滑移范围增大,从填筑土层进入了粉土层,边坡安全系数降至0.952,降雨加剧了边坡失稳。根据《水利水电工程围堰设计规范》(SL645-2013)规定[6],五级土石围堰边坡的安全系数为1.05,两种工况下边坡的安全系数均低于规范值,边坡不稳定,需要对原边坡开挖方案进行优化。

3.2边坡优化设计

方案一:根据边坡滑坡面位置,提出对边坡填筑土层和粉土层坡比进行优化,将二、三级坡开挖坡比优化为1:2。

方案二:根据边坡滑坡位置的特征,将二级坡与三级坡之间的马道加宽至5m。

计算和分析上述两种优化方案下边坡开挖边坡的安全系数并比选出最佳优化方案。

3.2.1边坡安全特性分析

图6为方案一的计算结果,由图知,工况一与工况二的滑坡面均增大,但边坡安全系数得到提高,工况一(渗流)边坡安全系数提高至1.102;工况二(渗流、降雨)条件下边坡安全系数提高至1.076。对比规范,该方案下边坡在两种工况下安全系数略大于规范值1.05。

图7为方案二的计算结果,可知工况一条件下,边坡滑坡面集中区小于方案一,安全系数增至1.243,安全系数明显大于方案一;工况二下边坡安全系数达到1.181,同样也明显大于方案一。该优化方案下边坡安全系数明显大于规范值,满足边坡稳定要求。

4 结论

以某二线船闸上游引航道开挖边坡工程为背景,计算出边坡在高水位渗流下边坡安全系数低于规范值,且降雨加剧了边坡失稳。基于此,提出两种边坡开挖优化方案,方案一为放缓土层坡比,方案二为加宽土层间的马道,两方案均在一定程度上强化了边坡的稳定性,边坡安全系数也满足规范要求,但方案二的强化效果更显著。

参考文献:

[1]汪映红,董城,陈乐.水位变化对临河基坑边坡稳定性的影响[J].水运工程,2019(03):121-125.

[2]戴会超,朱岳明,田斌.三峡船闸高边坡降雨入渗的三维数值仿真[J].岩土力学,2006(05):749-753+758.

[3]陈宏伟,凌贤长.强降雨下土质边坡稳定性分析方法[J].铁道学报,2016,38(01):103-110.

[4]GEO-SLOPE Iternational Ltd.著,中仿科技公司译.非饱和土体渗流分析软件SEEP/W用户指南.北京:北京冶金工业出版社.2011.

[5]GEO-SLOPE Iternational Ltd.著,中仿科技公司译.边坡稳定分析软件SLOPE/W用户指南. 北京:北京冶金工业出版社.2011.

[6] SL645-2013, 水利水电工程围堰设计规范[S].

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