水位变动条件下板桩码头岸坡稳定性分析

吴洋，杨艳，尹文



水位变动条件下板桩码头岸坡稳定性分析

吴洋1，2，杨艳2，尹文1，2

（1. 重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2. 重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074）

针对水位变动条件下板桩码头岸坡失稳的现象，用有限单元法分析了码头岸坡稳定性的影响因素、码头结构受力变形规律以及潜在滑坡失稳的破坏机理. 结果表明：随着码头结构的建设，岸坡安全系数呈现上升趋势；水位变动对原始岸坡稳定性影响较为明显，板桩码头结构修筑后，墙前岸坡可能发生局部失稳破坏；港池开挖及后方回填后，板桩码头岸坡稳定性的提高主要得益于码头结构的加固作用，岸坡潜在破坏模式为板桩墙后土体连同上部板桩墙发生绕底端向临空面方向的滑移变形.

板桩码头；水位变动；岸坡稳定性；有限元

由于受潮汐作用或水库调度影响，沿海及内河港口的港区水位呈现周期性的升降变化，加之部分码头所处地质环境十分复杂，港区水位变动诱发的岸坡失稳问题时有发生：因此，准确合理地开展码头岸坡稳定性分析计算已成为当前港口工程建设中亟需解决的热点问题[1-2]. 由于港区码头边坡独特的地质特点和受力变形特性，其稳定状况与码头岸坡的自身结构、码头堆载、港区水位变动有关，还受到诸多不确定因素的影响[3-5]，而当前港区水位变动条件下码头岸坡稳定性影响因素及潜在滑坡变形破坏机制的研究成果较少[6-8]，因此有必要进行进一步的探讨. 本文用荷兰岩土工程有限元软件Plaxis，分析了水位变动条件下某港口板桩码头岸坡稳定性的影响因素、码头结构受力变形规律及潜在滑坡失稳破坏机理，希望本文的研究结果对类似港口码头岸坡设计及失稳防治工程具有参考借鉴意义.

1 工程概况

选取某港口板桩码头，设计高水位+3.80 m、低水位+1.80 m、水底高程－4.71 m. 板桩墙厚度400 mm，为C40钢筋混凝板桩结构；锚碇结构为C40钢筋混凝土锚碇地下连续墙，厚度650 mm；Q235钢拉杆间距1.5 m，直径为85 mm. 该码头岸坡剖面见图1.

图1 码头岸坡剖面

表1及表2分别为岸坡土体及码头结构物理力学参数，主要依据工程地质勘察报告、相关规范手册及经验确定.

表1 岸坡土体参数

表2 码头结构参数

2 计算模型与原理

本文基于平面应变问题进行计算分析，有限元计算模型采用15节点三角形单元，利用三角剖分原理优化生成非结构性的网格，有限元计算模型中划分岸坡岩土体单元1 347个，节点总数10 999个，见图2. 码头岸坡岩土体材料采用Mohr-Coulomb本构模型和非关联流动性法则，岩土体模型均采用排水条件，为模拟港区水位变动，计算时选取水位变动范围由设计高水位+3.80 m到设计低水位+1.80 m. 模型左右两侧和底部为人为选定的非自然边界，采用Plaxis标准固定边界，假定边界上Darcy流量为零，模型上部采用自由边界，并在挡墙与岸坡土体接触部位设置界面单元（界面强度折减因子Rinter=0.75）模拟钢筋混凝土板桩与桩周土体之间的相互作用.

图2 模型单元网格图

港区水位变动条件下码头岸坡安全系数计算采用Phi/c有限元强度折减法，安全系数表达式：

计算中水位变动的模拟基于Plaxis固结分析，渗流计算中将岸坡整体离散成有限个单元体，用分析离散体来近似地分析整个坝坡的稳定情况，全面满足静力许可、应变相容和应力—应变之间的本构关系. 其中固结基本方程为Biot理论，岸坡内部渗流问题采用Darcy定理，假设岩土体骨架弹性变形，并且基于小应变理论[9]. 根据Terzaghi原理，土中应力分为有效应力和空隙压力：

其中：

3 结果分析

3.1 水位变动对各阶段岸坡稳定性的影响

表3 各阶段岸坡安全系数

图3 原始岸坡潜在位移云图

图4为港区水位变动条件下施工阶段岸坡潜在位移云图. 可以看出：修筑板桩、锚碇墙及拉杆后，后方岸坡较为稳定，基本未发现明显的变形区域，潜在滑坡主要位于板桩墙前岸坡，危险滑弧自板桩结构开始，最终从坡脚滑出，实际工程中应及时开挖墙前岸坡并清理港池，避免岸坡局部失稳破坏，影响施工安全及工程进度.

图4 施工阶段岸坡潜在位移云图

图5 板桩码头岸坡潜在位移云图

3.2 板桩码头岸坡变形破坏机理

为研究港区水位变动条件下板桩墙受力变形规律，在有限元建模过程中，沿板桩墙高程设置6个位移监测点，以水平向右为轴正方向，垂直向上为轴正方向，各监测点坐标见表4. 图6为有限元计算下港区水位变动时板桩墙各监测点水平位移图，可以看出，无论水位是上升还是下降，除板桩墙顶部外，板桩墙水平位移均成倒三角分布，从上部到下部逐渐减小. 水位下降时板桩墙最大水平位移56.7 mm，水位上升时板桩墙最大水平位移41.5 mm，均位于板桩墙上部+2.00 m附近. 而由于板桩墙水平抵抗力不可能沿高程均达到极限状态，并且当板桩墙入土深度达到一定程度后，板桩墙下端被土体完全嵌固而不易发生变形，因此可以推断，港区水位变动条件下，码头岸坡潜在破坏模式为板桩墙后土体连同上部板桩墙发生绕底端向临空面方向的滑移变形.

表4 有限元计算中板桩墙位移监测点坐标

由图7可见，无论是水位上升还是水位下降，板桩墙周围土体有效压应力基本上都呈现“R”形分布，该类型土体的应力重分布有利于减小跨中弯矩[10]. 对比a、b两图还可以看出，港区水位变动条件下板桩墙周围土压力分布情况及大小变化并不明显，并且港区水位在设计高水位到设计低水位之间变动时，最大变幅仅2 m，水位变动对于板桩墙周围岩土体自重及强度参数的影响并不显著，因此推断墙前静水压力的改变是造成此时码头岸坡位移变化的最主要因素.

图6 板桩墙各监测点水平位移图

图7 板桩墙侧土体有效压应力分布图

4 结语

本文运用有限单元法对典型板桩码头岸坡进行分析，获得了水位变动对各阶段岸坡稳定性的影响机制以及板桩码头岸坡变形破坏机理，可为实际港口码头岸坡设计及防治工程提供可靠的参考依据. 结合本文研究成果，建议实际工程中加强岸坡排水疏干措施，并在码头竣工后布设板桩墙位移监测点，谨防水位变动时码头岸坡失稳破坏. 并且，由于二维计算的局限性，本文研究成果可能与实际岸坡受力变形情况存在差异，建议工程应用中结合三维计算结果做统筹分析.

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[责任编辑：熊玉涛]

Stability Analysis of Sheet-Piled Wharf Bank Slopes Under Water Level Changes

WUYang1,2, YANGYan2, YINWen1, 2

(1. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing JiaotongUniversity, Chongqing 400074, China; 2. Ministry of Education Key Laboratory of Hydraulicand Waterway Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In view of the phenomenon of bank slope instability at sheet-piled wharfs, the wharf structure force-deformation law and the potential landslide failure mechanism under water level changes are analyzed by using the finite element method. The results indicate that: with the construction of the wharf, the safety factor of bank slopes is in an upward trend. Water level changes have an obvious impact on the stability of the original bank slope. The local buckling of the bank slope in front of the wall might occur after sheet-piled wharf construction. After basin excavation and rear backfill, the wharf structure reinforcement increases the stability of sheet-piled wharf bank slopes; the potential slope failure is that the rear soil and the upper sheet-piled wall might slide around the bottom of the sheet-piles and toward the free surface.

sheet-piled wharfs; water level changes; bank slope stability; finite elements

1006-7302（2013）02-0016-06

TV92

A

2013-03-09

重庆交通大学研究生教育创新基金资助项目（20120107）

吴洋（1988—），男，陕西汉中人，在读硕士生，主要从事水利工程结构及基础方面的研究.