水闸连接段岸坡临时开挖稳定分析

林诗然

（广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635）

水闸连接段岸坡临时开挖稳定分析

林诗然

（广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635）

北河桥闸重建工程是在旧闸原址重建。右岸链接段岸坡的地质钻孔资料揭露存在软弱土层，经过施工期的稳定计算，不能满足规范要求。考虑到右岸链接段岸坡临时边坡开挖受到场地的限制，采取其他加固防护措施已经没有条件，在迫不得已的情况下，利用现有岸坡稳定的状况，采取对滑动土层c、φ值的反演推算，来重新分析临时边坡开挖的稳定状况。工程实际施工与演算结果符合，工程顺利完工，对临时边坡开挖工程有一定的参考作用。

反演推算；岸坡临时开挖；稳定计算

1 工程概况

揭阳市北河桥闸工程由拦河闸、船闸、公路桥、引水涵组成。工程位于榕江北河的揭东县新亨镇秋江村，是一宗以灌溉为主，兼有防洪、水陆交通、城乡工业及居民生活用水等综合利用的水利工程。闸址位于榕江支流北河的中游，地处揭东县新亨镇秋江村，距下游揭阳市区直线距离约13km，距下游北河出口长约40km，距榕江入海口牛田洋约60km。工程于1975年10月兴建，1976年6月完成。1998年进行了部分水毁工程的加固。工程等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型。

原拦河闸主闸总宽217.7m，分35孔，每孔净宽5.0m，其中第1～2孔、第34～35孔为旱孔，无闸门，底板高程3.8m。第33孔为船闸，第3～32孔底板高程0.5m，设钢筋混凝土平板闸门，闸身底板及闸墩为浆砌块石结构，闸门启闭机工作台为钢筋混凝土结构。船闸位于右岸的第33孔，为圆拱直墙式结构。

重建拦河闸溢流前缘总宽度为173m，闸孔总净宽145m，分10孔布置。其中9孔为拦河水闸，1孔为电站引水口。右岸土坝采用均质土坝，坝顶高程13.20m，上下游边坡为1∶2.5，均采用砼护坡。土坝长45.4m，最大坝高13.20m；坝顶宽度8.5m，上游设0.20m厚的砼护坡；下游为草皮护坡。

右岸土坝为原拦河闸第34～35旱孔、第33孔船闸和第32孔水闸的一部分。见图1。

图1 右岸连接段剖面图

2 地质状况

2.1 地震

根据《中国地震动峰值加速度区划图》、《中国地震动反应谱特征周期区划图》GB18306-2001，本区位于地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.35s的范围内，相应地震基本烈度为Ⅶ度。根据区域资料，没有活动性断裂通过工程区、地震活动，工程区位于区域相对稳定区。

2.2 地层岩性及其物理力学性质

根据区域地质资料和本工程勘察成果，闸址区分布地层有第四系填土层（QS）、第四系冲积层（Qal）、及燕山三期花岗岩（γ53（2））。现由上至下分述如下。

(1) 第四系填土层（1）（QS）

右岸土坝填土主要由粉细砂、粉质粘土、粉土、中粗砂等组成，局部夹少量卵石、块石，成分较复杂，为不均质体，厚度一般2.3m～8.9m，层底高程-2.76m～4.92m。填土层中砂土及粘性土分布较杂乱，做标贯试验8次平均为5击，砂土呈松散状，粘性土为可塑状。土的主要物理力学指标为：天然含水率27.6%，天然密度1.88g/cm3，天然孔隙比0.785，塑性指数14.3，液性指数0.45，压缩系数0.357MPa-1，压缩模量5 MPa，属中压缩性土；饱和快剪凝聚力4kPa，摩擦角11.0°。渗透系数1.16×10-7cm/s，属中等透水层。

(2) 第四系冲积层（2）（Qal）

该层在河床普遍分布，根据组成物质的成份，可分为（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）、（2-5）、（2-6）六个亚层，各亚层特征分述如下：

（2-1）粉土、粉砂层，土黄、褐黄色粉土，粘性差或无粘性，松散～稍密状为主。层厚3.5m～5.8m，层底高程-1.88m～0.44m。在该层中做标贯试验6次，平均为5击。在该层中取到一组土样，主要指标为：水上休止角39.5°，水下休止角33.5°，破坏坡降2.08，渗透系数为1.51×10-4cm/s。总体上，该层土物质组成以粉土粒、粉细砂粒为主，密实性差，松散状。

（2-2）含砾中粗砂、砾砂层，褐黄色、浅黄色中粗砂、砾砂组成，局部夹少量泥质细砂、粘性土，级配较好，饱和。揭露层厚1.0m～7.9m，层底高程-7.3m～-0.88m。在该层做标贯试验14次，贯入数为4击～23击，平均14击。呈稍密状。休止角38.3°，水下休止角32.0°，在稍密状态下渗透系数为7.29×10-3cm/s。

（2-3）淤泥、淤泥质土层，灰黑色淤泥、淤泥质粘土组成，局部夹淤质砂，含有腐木及有机质，呈流塑～软塑状。普遍发育，层厚0.5m～11.6m，层底高程-11.28m～-2.56m。在该层做标贯试验26次，贯入数为1击～4击，平均2击。在该层取原状土样5件，土的类别以淤泥为主，主要指标平均值为：天然含水率66.6%，天然密度1.63 g/cm3，孔隙比1.72，塑性指数22.8，液性指数1.66，压缩系数1.423MPa-1，压缩模量1.83MPa，属高压缩性土；饱和快剪凝聚力6kPa，摩擦角4.4°。

（2-4）淤质粉细砂、中细砂层，灰色、浅黑色淤质粉细砂、中细砂，局部含砾砂、淤泥，饱和。层厚0.9m～8.8m，层底高程-10.73m～-6.07m。在该层做标贯试验5次，贯入数为5击～11击，平均7击。取扰动砂样3件，砂的类别以粉细砂为主，主要指标平均值为：砾石含量21.2%，砂粒含量67.4%，粉粒、粘粒含量11.4%，有效粒径0.06mm，不均匀系数85.78，曲率系数9.83，水下休止角31.8°，在松散状态下渗透系数为2.32×10-3cm/s。

（2-5）砾砂、含砾中粗砂层，褐黄色、灰黄色砾砂、含砾中粗砂组成，含泥质较多，饱和，中密为主，局部夹中细砂及粘性土薄层或含少量20mm～30mm卵石。揭露层厚2.7m～12.8m，层底高程-19.62m ～ -10.94m。在该层做标贯试验45次，贯入数11击～43击，其中4次贯入数10击～15击，32次贯入数15击～30击，呈中密状，9次贯入数大于30击平均为25击。土的类别以砾砂、含砾中粗砂为主，在中密状态下渗透系数为2.09×10-2cm/s。

（2-6）粘性土层，青灰色、褐黄色、土黄色粘土组成，局部含腐殖质，夹粉质粘土、粉土、细砂薄层，粘塑性好，可塑状。层底高程-23.36m～-8.78m，层厚2.1m～10.6m。在该层做标贯试验48次，贯入数4击～36击，平均8击。主要指标平均值为：天然含水率29.9%，天然密度1.92g/cm3，天然孔隙比0.79，塑性指数18.8，液性指数0.42。压缩系数0.324MPa-1，压缩模量5.64MPa，属中压缩性土；饱和快剪凝聚力12 kPa，摩擦角6.7°。

(3) 燕山三期花岗岩（γ53（2））（Ⅴ）

褐红色、褐黄色、灰白色全风化中粗粒花岗岩、煌斑岩等组成，一般风化较均匀、透彻，呈砂质粘土、粉土状，粘塑性一般，局部位置含风化不透的强风化岩碎块。主要指标平均值为：天然含水率18.5%，天然密度1.96g/cm3，天然孔隙比0.58；压缩系数0.231MPa-1，压缩模量7.26MPa，属中压缩性土；饱和快剪凝聚力24kPa、摩擦角21.8°；三轴固结不排水剪总抗剪强度为凝聚力25 kPa、摩擦角27.0°；有效抗剪强度为凝聚力23kPa、摩擦角31.5°；渗透系数为1.81×10-4cm/s。

各岩土层物理力学参数值见表1。

表1 榕江北河桥闸各岩土层物理力学参数值一览表

右岸连接段土坝所在位置主要为一级阶地，少部分位于河床区，地表第四系冲积层厚度一般18.1m～34.1m，包括（2-1）～（2-6）共六个亚层，层底高程-14.18m～-31.97m。冲积层下部为燕山三期中粗粒花岗岩，硬塑～坚硬状，揭露全风化带厚0.8m～24.2m，层底高程-21.48m～-47.56m；强风化带厚0.8m～6.1m，层底高程-22.28m～-53.66m；弱风化带厚1.1m～7.7m。

3 施工期临时开挖岸坡稳定计算

3.1 临时变坡稳定安全系数

该岸坡临时开挖边坡处于土坝工程范围，根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，参照土坝坝坡的抗滑稳定安全系数为：

正常运用条件 [K]≥1.35

非常运用条件Ⅰ [K]≥1.25

非常运用条件Ⅱ [K]≥1.15

岸坡开挖处于施工期，所以只需要计算非常运用条件Ⅰ的工况。

3.2 岸坡临时开挖边坡稳定计算

(1) 计算简图，如图2

(2) 计算参数

根据地质报告提供的有关参数进行计算。其中2-2、2-4、2-5土层为砂性地质，砂性地质一般因搅动，很少做剪切试验。根据地质手册或者岩土手册取经验值：天然密度取1.95 g/cm3，饱和快剪凝聚力取0，摩擦角取30。

图2 计算简图

(3) 计算工况

非常运用条件Ⅰ，基坑进行强排，水位维持在-5.5m以下。

(4) 计算方法

本次计算采用河海大学渗流边坡稳定计算7.0.7版程序Autobank进行计算。

(5) 计算结果

因为基坑进行强排，水位维持在-5.5m，岸坡不存在水位差，不进行渗流计算。

采用瑞典圆弧法计算结果为0.6，不能满足设计要求，如图3所示。

图3 计算结果

(6) 结果分析

瑞典圆弧法和简化毕肖普法均采用滑动面上抗滑力矩与滑动力矩之比和抗剪力与剪切力之比作为稳定安全系数。但是瑞典圆弧法忽略了土条间作用力的影响，使得得到的稳定安全系数一般偏低。因此，《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中第8.3.11条中规定，采用瑞典圆弧法计算时，非常运用条件Ⅰ的抗滑稳定最小安全系数数值减小8%，即为1.15。

计算步骤：

1）作假设的滑动圆弧面；

2）将滑动面以上的土体竖直分成n个宽度相等的土条；

3）计算各土条的重力及滑动面上的法向反力和切向反力；

4）计算各土条重力在滑动面上的切向分力对圆心的滑动力矩；

5）计算各土条底面处由抗剪力所产生的抗滑力矩；

6）计算稳定安全系数：公式

（c：土条滑动面上土的粘聚力；：土条滑动面上土的内摩擦角）

从以上计算过程看，决定安全系数结果的是土层的粘聚力和摩擦角；从计算结果看，开挖后岸坡的临时边坡发生深层滑坡，滑弧产生于（2-3）土层；从地质情况看，（2-3）土层属于软弱的淤泥层，饱和快剪的试验参数很低。

根据北河桥闸重建工程的建设范围来看，工程属于旧闸原址重建，基本上没有征地，施工场地有限。没有条件通过放缓边坡来调节岸坡临时边坡的稳定安全。考虑通过打旋喷桩或者灌浆来改善滑动土层的地质参数，但是又没有实际的依据能知道改善后的土层参数值。且新增的措施将加大工程的投资。

图4 计算断面

在迫不得已的情况下，只能对滑动土层的参数进行分析。也就是决定临时边坡稳定状态的土的粘聚力c和内摩擦角φ。一般情况下，土样都是从现场钻孔采集，带回土工实验室进行严格的试验。但是不可避免的是在取样和运送的过程中，土样会受到扰动，相关的试验参数会偏低。土的粘聚力c和内摩擦角φ都是十分敏感的参数，有时候试验结果与事实偏差很大。往往为了工程的安全，也为了工程留有安全富余，都会采用土工实验室提供的地质参数。但是在稳定计算中，安全系数的取值已经考虑了这部分的安全富余，所以完全可以尽可能的采用更接近土样本身性质的地质参数。

利用现有岸坡的稳定现状，来反演推算出滑动土层的地质参数（土的粘聚力c和内摩擦角）。现有岸坡的情况是稳定的，根据稳定安全计算的结果分析，可以认为此时岸坡的稳定安全系数为1。通过假定土的粘聚力c和内摩擦角值φ，使用程序Autobank，求得一一对应的安全系数值。取最接近于安全系数1对应的粘聚力c和内摩擦角值φ，作为连接段岸坡临时边坡开挖断面的地质参数。因为经计算连接段的岸坡临时边坡产生深度滑弧的在（2-3）土层，所以只需对（2-3）土层进行地质反演推算。

3.3 （2-3）土层地质参数的反演推算

(1)计算断面（选取右岸距离土坝较近的岸坡断面），如图4。

(2) 计算参数

根据地质报告提供的有关参数进行计算。其中砂性地质天然密度采用1.95，饱和快剪凝聚力采用0，摩擦角采用30。依次选取（2-3）土层的饱和快剪凝聚力及内摩擦角，进行演算。

(3) 计算工况

按照施工期工况，干地施工，将水位维持在0.00m以下。

(4) 计算方法

根据现状岸坡的稳定情况，模拟反演软弱土层的地质参数。本次计算采用河海大学渗流边坡稳定计算7.0.7版程序Autobank进行计算，依次计算各个不同凝聚力和摩擦角对应的岸坡稳定安全系数。由岸坡稳定安全系数约等于1来反演（2-3）土层的饱和快剪凝聚力及内摩擦角。

(5) 计算结果

采用瑞典圆弧法计算，如图5所示。

(6) 结果分析

（2-3）土层的饱和快剪凝聚力及内摩擦角取值为：c=16，摩擦角=12，计算结果接近于1。计算结果如表2所示。

图5 计算结果

表2 岸坡安全系数推算表

3.4 （2-3）土层地质参数调整后的岸坡临时边坡稳定计算

(1) 计算简图（见图6）

适当放缓了（2-3）土层的临时开挖边坡，对坡脚起到压重的作用。

图6 计算简图

(2) 计算参数

根据地质报告提供的有关参数进行计算。其中砂性地质天然密度采用1.95，饱和快剪凝聚力采用0，摩擦角采用30。经过对现状岸坡的稳定计算，反演推算出（2-3）土层的饱和快剪凝聚力采用16，摩擦角采用12。其临时开挖边坡采用1：3。

(3) 计算工况

非常运用条件Ⅰ，基坑进行强排，水位维持在-5.5m以下。

(4) 计算方法

本次计算采用河海大学渗流边坡稳定计算7.0.7版程序Autobank进行计算。

(5) 计算结果

采用瑞典圆弧法计算结果为1.43，满足设计要求，如图7所示。

图7 计算结果

4 结论

北河桥闸重建工程右岸连接段土坝岸坡开挖牵动着参建各方的心，因为施工场地受限，地质情况揭露存在淤泥层，对现场施工十分不利。为了使该工程能够顺利的进行，通过对现状边坡稳定的断面进行反演推算。修正软弱土层的试验参数，并重新计算来分析连接段岸坡的临时开挖边坡的稳定情况。现场开挖后在1∶3开挖边坡的平台上追加钢板桩支护，减少最危险滑坡从（2-3）土层出露造成的破坏。最终土坝岸坡开挖实施顺利完成，为土坝及船闸施工奠定了基础。也成功证明了在临时边坡开挖工程中，对滑动土层地质参数进行反演推算来分析边坡的稳定状态，是可行的。

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Stability Analysis of the Temporary Slope Excavation of the Sluice Connection Section

LIN Shi-ran
(Guangdong Hydropower Planning&Design Institute, Guangzhou 510635, China)

The bridge sluice reconstruction project of North River is rebuilt on the former site. Geological borehole data reveal the existence of soft soil layer, based on the stability calculation of construction period, cannot meet the requirements of the specification. The site of temporary side slope excavation is restricted on the right bank, where there is no room to take other protective measures without reinforcement conditions. The inversion calculation of geological parameters is conducted on the existing slope stability condition, and the stability of the temporary slope excavation is analyzed. The actual construction of the project is in line with the calculation results, and the project is completed on schedule. The study may serve as certain reference for temporary slope excavation project.

inversion calculation; temporary slope excavation; stability calculation

TU43

A

1672-2841（2016）02-0021-06

2016-04-28

林诗然，男，助理工程师，从事水利工程设计工作。