莆田市涵江区群英河边坡治理方案比选

陈义军 王贵南 熊中恒 陈昌泽

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450046； 3.浙江华东工程建设管理有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

随着经济的快速增长，莆田市人口越来越密集，这也加快了城区内河流的污染速度，在河流全线清淤过程中就会产生边坡问题，因此城市中内河的边坡问题也值得我们去考虑。城区边坡如果发生失稳现象，轻则影响减缓清淤工程的进展及交通运输，阻碍人们的生产生活，重则造成人员伤害，危害人们的人身财产安全。目前，边坡稳定性分析一是定性分析，二是定量分析。滑坡治理措施日益成熟，常见的有锚杆锚索、抗滑桩，挡墙等等。刘建等[1]使用极限平衡法分析边坡稳定性，并采用锚杆锚索及抗滑桩组合支护对边坡加固。杨洪福[2]利用MIDAS有限元模型分析高速公路高边坡治理工程，最后选用出合理角度的削坡加锚杆支护的治理方案。谢武军等[3]结合某一河岸高边坡实例，运用Slide和Flac3D进行建模和计算分析。刘向上等[4]利用Midas/GTS NX对某一露天矿山边坡稳定性进行分析，综合考虑影响边坡稳定的各种因素，建立一个测度理论，为边坡稳定性分析提供科学、可靠的方法。

福建省莆田市涵江区群英河淤泥黑臭问题日益凸显，涵江区委决定实施清淤工程。基于上述学者们对边坡数值分析研究和成功支护边坡方案例子，对群英河边坡支护治理进行数值模拟分析，提出支护方案使边坡稳定，以免在清淤过程中给施工人员造成伤害。本文采用三维有限元数值模拟方法，对群英河存在失稳的边坡进行支护，通过数值模拟对比两种支护方案的合理性与有效性，对于莆田市地区今后类似的工程有借鉴性意义。

1 边坡工程概况

1.1 工程背景

随着经济的发展，再加上莆田市处于沿海地区，风景优美，来此经商、居住的人也越来越多，因此带来的环境问题就更加引起人们的关注。城区内的河流水系繁杂，河内淤泥的增多，黑臭问题严重。莆田市为吸引更多游客和来此经商的人，决定实施清淤工程，在群英河清淤过程中，必须对岸坡进行支护，防止危害施工人员的人身安全。

群英河河道较窄，河道内淤泥沉积厚度0.5 m～2.5 m。河水也受到污染，颜色发黑，河道两边建筑密集，大多是居民房。河道护岸直立，右岸为浆砌石挡墙，挡墙质量完好，左岸部分条石外露，被河水浸泡侵蚀，强度有所降低。河岸有些地方紧邻居民楼。河道淤泥发黑发臭，混合有生活垃圾及石块颗粒。河道内淤泥黑臭问题严重影响市政面貌环境和周围居民正常的生活起居(见图1)。

1.2 场地位置

涵江区位于福建省莆田市，地处东北部、福建沿海中部。群英河是涵江城区重要的内河，群英河位于涵江区西街道，涵华西路以北，塘北街以西。工程场地属于海陆交互地带，地形平坦，地势北部稍高。

群英河自六一西路暗涵流出，向南途径闽中水产品批发市场直至塘北街、安达路交汇处，再流入梧梓河，全长730 m，河宽5 m～30 m，水深0.3 m～1.5 m，底部有淤泥混有大量城市垃圾。群英河位于城市建成区，周边多为民房，两岸均已建浆砌石挡墙，均采用的是浅基础。

1.3 岩土层分布特征

根据现场钻探成果，搜集资料及现场地质测绘成果，场地覆盖层主要有杂填土、粉质黏土、淤泥、粉质黏土、粗砂、粉质黏土、残积黏性土。

⑦残积砂质黏性土(Qel)：以黄褐色、灰黄为主，干强度中等，韧性低，本层在场地均有揭露，未揭穿，揭露厚度1.80 m～9.70 m，平均厚度4.29 m，本层进行标贯试验7次，实测击数12击～18击，平均值12.1击，标准值11.0击。该场地土层参数及支护剖面如表1和图2所示。

表1 土层参数

2 边皮支护三维有限元模拟

2.1 边坡支护结构设计方案

根据施工的材料有两种支护方案，方案一是在距离挡土墙边3 m，采用6 m的松木桩进行支护，松木桩是用松木制作的木桩，主要用于处理软地基、河堤等，原料为松木。松木桩紧密排列，横截面为实心圆形，桩径200 mm，清淤后块石回填。方案二是在距离挡墙3 m，采用6 m塑钢板桩支护，桩截面为U型，宽度400 mm，厚度为100 mm，间隔2 m。挡墙附近3 m清淤30 cm后块石回填。

2.2 有限元模型建立

根据现场的勘察，以及参照同地区相似边坡已有的工程资料，划分出各土层的平均厚度，岸坡一方选用土层总厚度11.3 m，河道一方选用土层总厚度9 m，横向宽度25.7 m。

本模型采用有限元的一般假设，对实际工程进行假设，边坡模型按照勘察资料，共有7个土层，土层分别是杂填土、粉质黏土、淤泥、粉质黏土、中砂、粉质黏土、残积黏性土。

GTS NX(New eXperience of Geo-Technical analysis System)是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件。Midas/GTS NX相对于Flac3D[5]建模的优点是操作简单，广泛适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、矿山等各种实际工程的准确建模与分析。使用Midas/GTS NX建立3D的单元网格，网格划分的原则是边坡坡面处以及支护坡面处稍微密集，网格间距为1 m；边界稍微稀疏，网格间距为1.5 m；中间部分网格从1 m到1.5 m过渡，3种网格划分状态。根据勘察资料，本文边坡岩土体和支护结构的参数如表2所示。

表2 场地地层参数

2.3 有限元模型信息

依据已知土层和支护结构力学参数，计算分析使用不同支护桩下沉降位移云图。考虑到模型尺寸和边界条件，两种支护方案模型尺寸大小为长25.7 m，边坡一侧高为11.3 m，河道一侧高9 m松木桩和塑钢板桩的长度都是6 m。

迈达斯[6]网格节点数据：松木桩[7]支护模型节点数据有1 614个，单元数量有1 250个。塑钢板桩支护模型节点数据有1 614个，单元数量有1 250个，如图3所示。

2.4 数值模拟结果分析

通过三维有限元模型，分析了清淤完成后两种支护方案下的位移变化包括竖向的和水平向的，提取了两种方案状态下竖向位移云图(Z)以及水平方向位移云图(X)(见图4～图7)。

通过观察两个方案的竖向位移云图(Z)以及水平方向位移云图(X)可知方案一的竖向位移最大值为10.86 mm，而方案二最大竖向位移为10.85 mm。由此可以看出两种方案的竖向位移相差仅0.01 mm，不同桩支护下竖向位移距离相近。观察两个方案的水平方向最大位移方案一朝向边坡临空面方向的位移为0.855 mm，而方案二朝向边坡临空面方向的位移为0.782 mm。方案一背向边坡临空面方向的位移为0.264 mm。方案二背向边坡临空面方向的位移为0.181 mm。由图可知支护桩的存在，阻止了边坡的水平位移。达到了防止边坡位移，使边坡稳定的目的。

2.5 两个方案经济对比

两种方案的经济投入分别是方案一使用大约5 668根松木桩，每根松木桩单价是200元左右，合计总投入113万元左右。方案二使用大约895根塑钢板桩，每根塑钢板桩单价2 500元左右，合计投入230万元左右。经对比，方案一经济投入小于方案二。

3 边坡安全系数计算

群英河边坡高度小于5 m，属于三级边坡[8]。三级边坡的一般工况安全系数为1.25。使用GeoStudio[9,10]软件对清淤完成后工况的安全系数进行计算分析，结果见图8,图9。

对比以上两个支护方案，使用有限元分析软件计算出的安全系数分别是松木桩支护的安全系数为1.26，塑钢板桩支护的安全系数为1.29，可以看出使用塑钢板桩比使用松木桩的安全系数要高。但是两者都大于边坡稳定性安全系数的规范标准1.25，所以都是安全可行的。

4 结论

通过使用有限元分析软件分析两种支护方案，得出以下结论：

1)对比两个方案的边坡沉降位移和水平位移：方案一的竖向沉降位移10.86 mm，方案二的竖向沉降位移是10.85 mm，在这一方面两者几乎相同，支护类型对于竖向沉降位移影响不大。从水平位移来看，方案一的向左水平位移是2.6e-004 m，方案二向左的水平位移是1.8e-004 m。方案一的向右水平位移是8.5e-004 m，方案二向右的水平位移是7.8e-004 m，所以两种支护方案在水平位移方面差别较大，但是都符合规范要求。

2)从经济上对比可知：方案一大约使用了5 668根松木桩，每根松木桩单价是208.68元左右，合计总投入118.279 8万元左右。方案二需要使用895根塑钢板桩，每根塑钢板桩单价大约2 558.92元，合计投入大约229.023万元。所以松木桩支护经济投入较少。

3)对比以上两个方案的安全系数，方案一的安全系数1.26略大于规范要求的允许安全系数1.25。方案二的安全系数相对于方案一有了较大的提升，方案二安全系数是1.29。从安全系数上来看，方案一的安全系数接近规范值，预留下降空间不大。总体两个方案的安全系数都符合规范要求允许的1.25。

从稳定性、经济性和安全系数等方面对比可知，选用方案一更加合适。