地层结构效应对沿海航道岸坡稳定性影响分析

沈达博

（舟山市港航管理局，浙江舟山 316000）

地层结构效应对沿海航道岸坡稳定性影响分析

沈达博

（舟山市港航管理局，浙江舟山 316000）

地层结构效应对于边坡稳定性研究意义重大。本文对舟山某航道边坡进行数值模拟，对均质土体边坡和不同地层结构边坡利用ABAQUS软件计算安全系数，通过位移和塑性贯通区位置进行对比稳定性，对不同地层结构边坡分别考虑在重力、水流力作用下岸坡稳定性情况并进行对比。结果表明：在安全系数、位移和塑性贯通区方面，不同地层结构边坡强于均质土体边坡；水流力作用致使安全系数大于自重情况下，不同地层结构效应对岸坡稳定性的研究是必要的，也便于在工程中应用推广。

地层结构效应；沿海航道；岸坡稳定性；ABAQUS

在国际远洋贸易中，水路运输因其载运量大、成本低而作为货物运输首选，随着“一带一路”发展战略的实施，国家大力发展海洋经济，水运日渐兴盛。航道是水路运输必不可少的组成部分，但载运量随着贸易额逐年增加，导致船舶大型化，对航道水深有着严格的要求，航道的逐年疏浚对岸坡土体稳定性影响极大，前人学者对岸坡稳定性展开了大量的相关研究，有相当丰富的试验数据和理论积累。刘涛等[1]在波流共同作用下的航道边坡稳定性研究中，以港口外存在拦门沙的深水航道为研究对象，利用断面物理模型试验研究在波流作用下推移质运动对航道岸坡稳定性的影响，分析边坡开挖中的设计条件；仲南艳等[2]在航道护岸工程中基槽边坡稳定研究中，基于极限平衡原理，对某航道边坡开挖时的稳定性利用Fellenius法和Bishop法进行验算，得出了在渗流与超载作用下的安全系数变化规律以及最大载荷，并提出相应的治理措施；程曦等[3]在基于ABAQUS的内河航道岸坡稳定性分析中，利用ABAQUS软件对某航道边坡进行数值模拟，并考虑在稳定渗流、波浪力以及共同作用下对边坡土体稳定性的影响，并将安全系数计算结果与Morgenstern-Price法进行对比，验证准确性；张晓咏等[4]在应用ABAQUS程序进行渗流作用下边坡稳定分析中，利用ABAQUS软件对边坡进行渗流场与应力场耦合作用下的稳定性分析，得到浸润面与滑动面的准确位置，并将计算结果与瑞典条分法和简化Bishop法进行对比，发现计算结果更为准确；周家文等[5]在降雨入渗条件下边坡的稳定性分析中，对降雨情况下，渗流作用对边坡稳定性的影响，发现了随着降雨入渗的作用，边坡安全系数随之变化的规律。

本文利用有限元软件ABAQUS对大陆引水三期工程某航道基槽岸坡进行数值模拟，分别对均质土体和不同地层结构进行计算，对比分析地层结构对岸坡稳定性的影响，随之对不同地层结构边坡在自重与水流力作用下进行研究，对比分析在外荷载作用下对于不同土层结构岸坡的稳定性影响，以期为舟山市大陆引水工程的安全提供基础依据。

地层结构效应[6-7]指土体往往是由不同时期不同特性的土层在地质作用等情况下形成的分层结构，对工程的受力特点、稳定性以及经济性有巨大影响，如桩基持力层的选取，桩基深入土层的合理性与土体材料特性有很大关系，桩基所处的土体结构不同，所引起的内力变化和变形也会不同，但也可人为改变土层结构（地基处理）以满足工程建设需要。

1 工程实例

舟山市大陆引水三期工程地跨宁波市、舟山本岛两地，从新泓口围垦工程东顺堤外下海后，位于二期海底管道北侧，并与之平行延伸，距二期北线和南线管道分别为50 m和100 m，距一期管道150 m，沿东北方向穿过灰鳖洋，至西堠山西北。出海口位置选在马目山西北桃花涂外海堤处，接入黄金湾调节水库，再输配水至本岛主要水厂及周边主要岛屿。该工程作业航道的规模为5×104t级双向通航，规划水深为15 m，现状水深为12 m。对其三期输水管道管顶的埋设深度要求为至少在航道底标高以下3 m的位置，也就是相对现状海床面，管道管顶埋深至少距海床面6 m，即管底位置的埋设深度至少为7.228 m。工程采用预挖沟疏浚方案，通过大开挖的方式，预先挖出满足深度要求的管沟，然后再铺设管道并回填的方式。航道跨越段示意图见图1。

图1 航道跨越段管道下卧示意图Fig.1 Channel cross section of the pipeline by the diagram

岸坡土体中粉质粘土深度为13 m，淤泥质粉质粘土深度为2 m，粘土深度达到5 m。尺寸如图2所示。本文利用ABAQUS软件对航道边坡进行二维建模[8-9]，本构模型采用Mohr-Coulomb准则，对于不同地层结构边坡共有648个节点，593个单元，单元类型为CPE4四边形四节点平面应变单元；均质土体边坡有569个节点，516个单元，单元类型同为CPE4单元。网格划分如图3所示。

限制岸坡土体左右两侧水平位移，限制土体底部水平与竖向位移，对岸坡分别施加重力与水流力，水流力假设为正常水位4m。岸坡土体分为粉质粘土、淤泥质粉质粘土及粘土，土体材料特性见表1。

图2 岸坡尺寸Fig.2 Size of slope

图3 网格划分Fig.3 Mesh generation

2 结果分析

2.1 地层结构的影响

在只考虑重力作用情况下，对均质土体岸坡与不同地层结构岸坡的稳定性进行对比。从图4可知，均质岸坡与不同地层结构岸坡的FV1随U1的变化关系曲线大致相似，但以变化曲线拐点作为安全系数评价标准可知，不同地层结构安全系数为1.538，均质岸坡为1.472，差值达到0.066；而且不同地层结构计算到0.707时数据无法收敛，土体发生失稳现象，均质岸坡计算到0.663时数据发散，土体失稳。

图4 FV1随U1变化关系Fig.4 FV1 change with U1

由图5可知，均质岸坡塑性区位置与不同地层结构岸坡不同，前者出现在坡脚与坡顶处，位置偏上，后者出现在坡底与坡顶处，位置偏下，前者塑性区域范围小于前者，但塑性程度远大于后者，塑性最大程度区域出现在坡脚处，后者出现在淤泥质粉质粘土层底部。

从图6中可知，均质岸坡滑动面位置高于不同地层结构岸坡，前者只限于坡脚以上土体，后者在淤泥质粉质粘土以上土体均出现滑移现象，但前者滑移最大数值达到3.562 mm，后者最大滑移数值为11.69 mm，前者最大滑移出现范围明显大于后者。

图5 计算终止时塑性区Fig.5 Calculated at the end of the plastic zone

图6 位移云图Fig.6 Displacement nephogram

2.2重力与水流力的影响

通过软件分别对在重力作用、水流力作用下的不同地层结构岸坡进行数值模拟计算，将FV1随U1变化关系曲线中的拐点作为安全系数评价标准，两者曲线相似，在重力作用下，土体安全系数为1.537 78，在水流力作用下，土体安全系数为1.538 23，后者略大于前者。以软件计算结果发散时对应的FV1下，后者U1大于前者。

沿海航道中岸坡土体稳定性受水流力影响较重力作用较大，对于沿海航道稳定性研究时需考虑水流力作用。

图7 FV1随U1变化关系Fig.7 FV1 change with U1

3 结语

通过对有限元软件模拟结果的分析，得出以下结论：

（1）不同地层结构对航道岸坡的稳定性影响不容忽视，在塑性区贯通区域和滑动面出现时刻以及波及范围都超过均质土坡，但安全系数却高于后者，在工程建设中需要引起注意，避免滑坡等地质灾害的发生。

（2）分别在重力、水流力作用下的不同地层结构航道岸坡，在以变化曲线拐点作为评价标准时的安全系数，水流力作用对安全系数影响较大于重力作用。

（3）只考虑重力、水流力对不同地层结构航道岸坡的作用，存在一定的局限性，应该进行渗流场与应力场耦合，综合考虑在岸坡使用期下出现的外荷载影响，结果会更为准确与合理。

[1]刘 涛,陈国平.波流共同作用下的航道边坡稳定性研究[J].水运工程,2014(9):103-108.

[2]仲南艳,殷晓明,王 斐.航道护岸工程中基槽边坡稳定研究[J].水运工程,2007(11):80-86.

[3]程 曦,王元战,马殿光,等.基于ABAQUS的内河航道岸坡稳定性分析[J].水道港口,2012,33(2):152-158.

[4]张晓咏,戴自航.应用ABAQUS程序进行渗流作用下边坡稳定分析[J].岩石力学与工程学报,2010,29(增刊):2 927-2 934.

[5]周家文,徐卫亚,邓俊晔,等.降雨入渗条件下边坡的稳定性分析[J].水利学报,2008,39(9):1 066-1 073.

[6]蒋建平,黄智勤.岩土工程中的地层结构效应理论探讨[J].科技资讯,2011(12):46-47.

[7]蒋建平,刘文白.岩土工程地层结构效应与层组参数[M].北京：人民交通出版社,2011.

[8]费 康,张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社,2010.

[9]史旦达,邓益兵,蒋建平,等.ABAQUS软件的工程应用实例集[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2015.

Analysis of Waterway Slope Stability in Stratigraphic Structure Effect

SHEN Da-bo
（Port and Shipping Administration of Zhoushan,Zhoushan 316000,China)

Researched stratigraphic structure effect has great significance of slope stability.In this paper,take numerical simulation to channel slope in Zhoushan,calculated safety coefficient for homogeneous soil slope and slope of different stratigraphic structure through the ABAQUS software,compare the stability by displacement and the location of plastic transfixion area,the stability of different stratigraphic structure slope and result in the effect of gravity and hydraulic pressure considered respectively.Results indicated:in the coefficient,displacement and plastic transfixion area,different stratigraphic structure slope be better than homogeneous soil slope;in the coefficient,hydraulic pressure is better than gravity.It’s essential to research the different stratigraphic structure of the stability of slope,also facilitate promotion in engineering application.

stratigraphic structure effect;coastal waterway;the stability of slope;ABAQUS

U656.3

：A

2016-11-20

沈达博（1984-），男，浙江嵊泗人，工程师，研究方向：港口与航道工程.

1008－830X(2017)01－0077－04