莆田市望江河清淤工程岸坡稳定性分析及加固处理

陈义军 王贵南 熊中恒 杨伟国

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000； 2.华北水利水电大学，河南 郑州 450045； 3.浙江华东工程建设管理有限公司，浙江 杭州 310000)

1 概述

望江河位于福建省莆田市涵江区，地处木兰溪流域，城区内河河网密集，水系纵横，但基础设施的建设相对滞后。多年来，伴随着城市建设的快速发展，未经处理便排入河道的大量污(废)水，严重影响河道水质、恶化城市生态，为解决涵江区日益显著的城区内河河网黑臭问题，开展了相关的河道清淤工程。在清淤过程中河岸边坡的安全与稳定问题，无论对于河道清淤工程还是其他岩土工程都是一个十分重要的研究内容[1]。针对该类问题的研究，已有学者利用如数值模拟[2，3]、理论计算[4]、对比分析等手段，得出了基于不同工程实际的研究成果[5]。

2000年，舒安平等[6]利用Fellenius方法对国内部分水库边坡的稳定性进行了分析，推导出了具有预测及治理库区滑坡的理论公式；2007年，钱小强和邓军[7]总结了各类边坡加固方案，并基于一处高速公路边坡工程，对加固方案进行了优化，选择出适应该工程情况下经济安全的加固方案；2008年，杨华[8]结合现有挡土墙结构理论，利用Matlab软件，对重力式、悬臂式挡土墙结构进行优化及对比分析，为其他类似工程提供了一定的借鉴意义；2010年，马玉岩[9]以水电工程岩质高边坡为例，分别利用极限平衡法与强度折减法，对其施工过程中的稳定性进行分析，以研究这两种计算边坡稳定性方法的应用与影响的主因；2012年，戴自航和徐祥[10]结合福建省龙岩市边坡地质灾害防治工程，利用ABAQUS有限元软件进行反算，得到了抗滑桩的受力分布规律，得出针对该工程的抗滑桩最优设计方案；2017年，岳梦蕾等[11]为得出各类土体力学参数对边坡稳定性的影响，利用ABAQUS有限元软件进行分析，得到了各类因素与边坡稳定性的关系；2020年，岳凡等[12]在研究柔性泄洪道边坡稳定性的问题中，引入了土工布加筋的加固措施，在通过一系列理论计算后，得出土工袋边墙作为柔性挡墙时，具有增加边坡稳定性的结论。

通过上述文献可知，目前对边坡稳定性的研究已有许多成果，但针对不同地区、不同类型的工程仍然面临着许多问题。本文基于莆田市涵江区望江河河道清淤工程，在FLAC3D软件中建立其三维数值模型，对望江河现状挡墙及加固设计在清淤过程中的稳定性进行分析，在此基础上对原设计进行优化计算，从而实现在保证清淤过程中岸坡安全稳定的前提下，节约成本、提高效率的目的，对同类河道清淤工程中的岸坡稳定性及加固处理也具有一定的指导和借鉴意义。

2 望江河清淤工程概况

2.1 望江河河道特点

望江河为穿过涵江主城区的重要河段，起始于莆田市实验中学，结束于端明街。河网交错，水系复杂，同时河道中间穿插三处暗涵，现离都邠沟较远，即望江河南端属于整个工程水系与外部的过水通道。望江河主干湖滨南街段两岸为硬质驳岸，水面开阔，水深较深。望江河支流一、二、三、五、十与主干形成闭合环状形态，支流四、六位于望江河南端，为整个工程范围水系与外部溪口河的过水通道，各河段污染物在此汇集，水质相对较差。望江河河岸现状见图1。

2.2 工程地质条件

根据现场钻探成果、搜集资料及地质测绘成果，得到该工程场地内土层分布如下：

①杂填土：杂色、灰色，松散～稍密，稍湿，堆填时间大于5年，地表0 m～0.2 m多为水泥路面，由碎砾石、水泥块及黏性土等组成，块径多在2 cm～5 cm，最大可至15 cm～20 cm，粗硬质含量约占40%～70%；

②粉质黏土：灰黄～灰褐色，以粉黏粒为主，切面光滑有光泽，无摇振反应，干强度及韧性中等；

③淤泥：灰黑色，略有腥臭味，切面光滑有光泽，无摇振反应，局部含夹薄层细砂；

④粉质黏土：黄棕色、灰黄色，以粉黏粒为主，无摇振反应，切面光滑有光泽，干强度中等，韧性中等；

⑤粗砂：黄棕色、灰色，稍密～中密，饱和，颗粒粒径大于0.5 mm的含量占65%，磨圆度较差，颗粒级配程度较差；

⑥残积砂质黏性土：褐黄色、灰黄，以黏性土为主，切面可稍观察到原岩结构，残留少量石英颗粒，稍有光泽反应，干强度中等，韧性低。

2.3 计算断面形式

计算断面采用望江河临时清淤设计方案中的河道清淤断面，断面选取在望江河下游段。由于现状挡墙不一，局部河床内淤泥厚度较大，地质条件差，且两岸分布有密集的房屋、学校和道路等构筑物。将针对这些区域，在清淤前采取松木桩+块石回填的支护措施，其中松木桩桩长6 m，桩径为12 cm，沿河道密排设置。施工应分段进行，挡墙与松木桩之间的块石回填应在人工清表后实施，并应确保表面平整，块石回填坡顶不应超过现状河床，现状挡墙若脱空应采用块石填塞处理。

清淤结构断面图如图2所示。

3 岸坡稳定性分析

3.1 数值计算模型

计算模型以望江河左岸基础底板背水侧一端为起点，沿基础底板临水侧一端水平沿线方向，向河道方向延伸11 m，向左侧岸坡方向延伸9 m；以挡墙顶部为起点竖直向下取10 m，向河道内侧水流方向取8 m；现状挡墙高度暂无，根据附近其他工程及实际施工测量推算，在计算模型中现状挡墙高度选取为3 m。计算时设定垂直河道背向挡墙一侧方向为X轴，沿河道方向为Y轴，上下竖直方向为Z轴。

清淤施工前模型如图3所示。

3.2 计算参数

断面下覆土层主要为：杂填土、淤泥、粉质黏土，现状挡墙为浆砌石混凝土结构。模型中主要材料的物理力学参数见表1。

表1 材料参数

3.3 施工工况

数值计算分析主要包括以下几种工况：

工况一：河道内清淤30 cm，临河侧挡墙底板附近清淤后高程与河道内清淤高程一致；

工况二：设计方案加固下的清淤工程，即清淤施工时按照前述设计要求，依次激活松木桩、块石等支护材料属性进行计算分析；

工况三：本着经济、安全的目的，对加固设计进行优化处理，在清淤时自挡墙临河侧坡脚处，设置为块石混凝土加固，并按照1∶5坡比向河道内放坡后清淤至设计高程。

工况一～工况三清淤后模型如图4所示。

3.4 模拟结果

1)未加固情况下岸坡稳定性分析。

工况一清淤后岸坡竖向位移如图5所示。计算结果表明：在工况一未加固施工的情况下，河道清淤至现状挡墙底板下30 cm后，位于现状挡墙顶部后方土体发生较大沉降，主要集中在其后3 m～5 m范围内，沉降最大值达到17.54 mm，土体沉降范围延伸至挡墙底部，表明该工况下容易发生塌岸现象；右侧河道内土体以卸荷回弹为主，受挡墙侧沉降及土质影响，回弹量较大，最大达到25.36 mm，主要集中于开挖坡脚处3 m范围内。

工况一清淤后岸坡水平向位移如图6所示。计算结果表明：在工况一未支护的情况中，河道清淤至现状挡墙底板下30 cm处时，现状挡墙及其下部杂填土整体向河道一侧移动，产生较大的水平位移，位移最大值达到27.71 mm，主要集中在坡脚位置。形成该现象的原因是由于现状设计清淤底高程低于现状挡墙底板高程，针对底板处又未有支护措施，使得挡墙临河一侧受开挖卸荷影响严重。

工况一清淤后岸坡最大主应力分布如图7所示。计算结果表明：清淤完成后，最大主应力值大小与埋深成正比。位于挡墙临水侧基础底板处0.3 m，最大主应力明显大于周围土体应力，最大值为0.1 MPa；挡墙基础底板下方土体较其周围土体应力变化明显，其值为0.18 MPa。

工况一清淤后岸坡最小主应如图8所示。计算结果表明：清淤完成后，挡墙基础底板下方土体较周围土体应力变化明显，其值为0.05 MPa，突变后的应力值继续随着土体的深度而逐渐增加。同时发现，位于挡墙底部土体受到一定的拉应力，拉应力最大值为0.04 MPa。挡墙底板周围土体拉压应力变化明显，说明相对于其他部位，此处最易受到影响引起河岸坍塌破坏。

上述分析表明，针对该断面的清淤工程在未支护的情况下极易发生塌岸，最易塌岸位置在挡墙底板处附近，其主要受开挖卸荷引起的位移及应力场变化的影响。因此，该类型断面清淤施工前，应当自挡墙底板处进行支护加固。

2)加固情况下岸坡稳定性分析对比。

工况二为清淤施工中的加固设计方案，工况三为针对原设计方案的优化模拟计算。两种工况下进行清淤开挖后的竖向位移如图9所示。计算结果表明：两种工况下，均在现状挡墙顶部后方土体产生沉降现象，沉降值最大主要集中在墙后3 m～5 m范围内，其中工况二情况下清淤后的沉降最大值为1.76 mm，工况三情况下清淤后的沉降最大值为2.93 mm，即在优化后的加固设计后的沉降值，仅较原始施工设计方案后的沉降值大1.17 mm；右侧河道内土体以卸荷回弹为主，工况二情况下最大回弹4.32 mm，工况三情况下最大回弹6.67 mm，主要分布在河道内放坡坡脚右侧。

两种工况下进行清淤开挖后岸坡竖向位移如图10所示。计算结果表明：在工况二情况下，整体水平位移值均较工况一时小，最大水平位移发生在块石回填与松木桩交界处，位移值为4.20 mm；在工况三情况下，清淤施工至现状挡墙底板处开始按照坡比为1∶5进行混凝土加固措施，挡墙底板部分受到块石混凝土坡体的支撑，因此相较于工况一时坡脚处不再有较大位移的发生，仅在杂填土与淤泥交界处发生有一定的变形。工况三情况下，现状挡墙及其下部杂填土受开挖影响整体向河道一侧移动，其最大位移值为5.67 mm，发生在淤泥质土层较深处部位，形成该现象的原因是由于挡墙临河一侧受开挖卸荷影响严重，应力释放明显。

数值模拟结果表明，两种加固措施，均能在清淤施工过程中对岸坡稳定起到良好的效果。在加固下的清淤施工，对岸坡的扰动影响均相对较小，且整体位移差值仅在1.4 mm以内。

上述分析表明，针对该断面所在河段情况，可以对现状挡墙高度在3 m范围内的情况，根据设计加固优化处理的模型计算分析，即在清淤时自挡墙临河侧坡脚处，设置为块石混凝土加固，并按照1∶5坡比向河道内放坡后清淤至设计高程的设计方案，可以在保证清淤过程中岸坡安全稳定的前提下，节约时间和经济成本，提高工程效率。

4 结论

数值结果表明：河道清淤后竖向位移最大值主要分布在挡墙后方3 m～5 m范围内，水平位移最大值主要集中在挡墙底板与河道相邻处的典型变形规律，说明岸坡在未加固下清淤更易引起塌岸破坏；在原加固措施与优化后的加固措施施工后，无论是岸坡的水平位移还是竖向位移，其差值均相对较小，说明在两种加固措施下清淤，对岸坡的扰动影响均相对较小，进一步表明优化后的加固措施是安全合理的。