输水渠道高填方边坡稳定性影响因素敏感性研究

2021-07-14武宇

水利技术监督 2021年7期

武宇

(辽宁省大伙房水库管理局有限责任公司，辽宁沈阳 110031)

1 工程背景

辽宁省沈阳市辉山明渠始建于1958年，是一条天然河道，浑河的一级支流，源头为辉山水库，承担着沈阳市东部地区的防洪任务，参与部分区域的排涝任务。随着沈阳东部城区的扩展和延伸，辉山明渠逐渐发展成为一条城区河道，承载的功能也逐渐发生变化，目前主要承担防洪、排涝、景观和生态功能。辉山明渠全长11.1km，流经大东和沈河2个行政区。目前已经完成的辉山明渠扩宽改造二期工程位于中下游地区，主要解决了宝马厂区的雨水排放问题。辉山明渠的扩宽改造二期工程是在一期工程的基础上，继续对非建成区段进行整治。其中二期工程的第二标段为辉山水库输水洞出口值宝马厂区暗涵进口段，全长2190m，需要对原有的河道进行开挖拓宽、清淤以及渠堤填方加固。整个工程按照50a一遇洪水标准设计，200a一遇洪水标准校核，设计洪水流量265m3/s。工程项目位于长白山山前冲积倾斜平原地区，覆盖层较厚，主要由冲洪积物构成，表层土壤主要是壤土、黏土、细砂以及泥卵石，地面高程在85～125m之间。该标段的渠道采用梯形断面，设计底宽21m，设计堤顶宽为5.0m。受地势影响，在桩号K0+993～K0+1220渠段需要进行高填方，最大填高预计为11.5m。对该渠段的边坡稳定性进行分析，可以为工程设计提供有益的借鉴。

2 计算原理与方法

2.1 计算软件

边坡失稳破坏是岩土工程领域常见的破坏形式之一，在破坏发生之后往往会造成巨大的危害，且后期需要投入昂贵的治理费用[1]。理正边坡稳定分析软件是北京理正软件股份有限公司研发的一款方便实用、功能强大的结构设计软件，主要为用户提供挡土墙设计、超级土钉设计、抗滑桩设计、软土路基、堤坝、边坡分析，几乎涵盖了岩土工程所涉及的主要领域，可以一站式解决岩土工程研究领域的模拟计算分析问题[2]。目前，新版软件在原有的软件基础上进行修改和完善，功能更为强大，是国内最实用的岩土工程计算工具[3]。同时，该软件还具有图文并茂的特点，比较直观形象[4]。因此，此次研究选择理正边坡稳定分析软件进行背景工程边坡稳定性的计算。

2.2 计算范围

根据工程的实际情况以及计算软件的具体要求，利用笛卡尔坐标系构建几何模型，沿河道中心线指向下游的方向为Y轴正方向，以垂直于Y轴指向右岸的方向为X轴正方向。为了保证模拟计算的结果更接近工程的实际情况、考虑施工过程的复杂因素以及诸多不确定性，以圣维南原理为基础，尽量减少边界条件和施工条件的影响，因此需要在计算量允许的情况下，尽量扩大计算范围[5]。结合研究对象的实际特点，沿着渠道的2个方向各取100m，竖直方向向土层深部取200m。经过对研究渠段的对比分析，确定选择K0+1103断面作为计算断面。

2.3 计算参数

针对选择的计算区域，依据前期的工程地质调查结果，渠底上面的第一层为砂卵石层，第二层为壤土层，最下面为黏土层。分别对各个土层进行采样试验[6]。由试验结果可知，边坡土体的天然重度为19.1 kN/m3，饱和重度为19.7 kN/m3。边坡的稳定性受诸多因素的影响，为了研究获取这些因素的具体影响，研究中保持其他因素不变，计算获取不同因素水平下的边坡稳定性系数，并获取稳定性系数随各因素的变化规律[7]。此次研究主要涉及黏聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比以及坡度5个因素对边坡稳定性的影响[8]。

3 计算结果与分析

3.1 黏聚力

依据研究渠段的地质调查结果，边坡土体的黏聚力变化范围在14～22 kPa之间。因此研究中在保持其他参数不变的情况下，设置14、16、18、20、22 kPa等5种不同的水平，利用前文构建的模型，对边坡稳定性系数进行模拟计算，根据计算结果，绘制边坡稳定性系数随内摩擦角变化的曲线，如图1所示。

图1 边坡稳定性系数随黏聚力变化曲线

由图1可知，边坡稳定性系数随黏聚力的增大而显著增大，基本呈线性变化的特点。与14 kPa相比，当黏聚力为22 kPa时边坡的稳定性系数由1.24增加到1.65，增加了约24.9%。由此可见，黏聚力是边坡稳定的重要影响参数，选用高黏聚力土体进行填方施工，有利于提高边坡的稳定性，是施工中必须要考虑的影响因素。

3.2 内摩擦角

根据研究渠段的地质调查结果，边坡土体的内摩擦角的变化范围在16°～24°之间。因此研究中在保持其他参数不变的情况下，设置16°、18°、20°、22°、24°等5种不同的水平，利用前文构建的模型，对边坡稳定性系数进行模拟计算。根据计算结果，绘制边坡稳定性系数随黏聚力变化的曲线，如图2所示。

图2 边坡稳定性系数随内摩擦角的变化曲线

由图2可知，边坡稳定性系数随内摩擦角的增大而显著增大，其变化特征与黏聚力类似。与16°相比，当内摩擦角为24°时边坡的稳定性系数由1.21增加到1.68，增加了约38.8%。由此可见，内摩擦角也是边坡稳定的重要影响参数，选用内摩擦角较大的土体材料进行填方施工，有利于提高边坡的稳定性，是在施工中必须要考虑的影响因素。

3.3 弹性模量

结合研究渠段的地质调查结果，在保持其他参数不变的情况下，设置2.0、2.5、3.0、3.5、4.0MPa等5种不同的水平，利用前文构建的模型，对边坡稳定性系数进行模拟计算。根据计算结果，绘制边坡稳定性系数随弹性模量的变化曲线，如图3所示。

图3 边坡稳定性系数随弹性模量的变化曲线

由图3可知，边坡稳定性系数随弹性模量的增大而呈现波动变化的特点，且变化的范围相对较小，其最小值为1.31，最大值为1.35，变化率在5%以内。由此可见，弹性模量对边坡安全稳定系数的影响极为有限，在工程设计计算中可以忽略不计。

3.4 泊松比

结合研究渠段的地质调查结果，在保持其他参数不变的情况下，设置0.2、0.3、0.4、0.5、0.6等5种不同的水平，利用前文构建的模型，对边坡稳定性系数进行模拟计算。根据计算结果，绘制边坡稳定性系数随泊松比的变化的曲线，如图4所示。

图4 边坡稳定性系数随泊松比的变化曲线

由图4可知，不同泊松比的边坡稳定性系数变化与弹性模量类似，边坡稳定性系数呈现出波动变化的特点，且变化的范围相对较小。由此可见，泊松比对边坡安全稳定系数的影响极为有限，在工程设计计算中可以忽略不计。

3.5 边坡坡度

结合研究渠段的地质调查结果，在保持其他参数不变的情况下，设置0.8、0.7、0.6、0.5、0.4等5种不同的水平，利用前文构建的模型，对边坡稳定性系数进行模拟计算。根据计算结果，绘制边坡稳定性系数随坡度变化的曲线，如图5所示。

图5 边坡稳定性系数随坡度变化曲线

由计算结果可以看出，边坡的稳定性系数随着坡度的减小而迅速增大，且变化的幅度较大。从具体的数值来看，当坡度为0.8时，边坡的稳定性系数为1.32；当坡度为0.4时，边坡的稳定性系数为1.50，相比而言增加了约13.6%。由此可见，坡度是高填方边坡稳定性的重要影响因素，在工程设计和建设中，需要依据工程实际以及工程的经济性选择合适的边坡坡度。