港口岩土工程勘察中的填方边坡稳定性分析

2022-06-09李培顺

四川水泥 2022年5期

李培顺

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

0 引言

在岩土工程中，切实保证边坡的稳定性尤为重要，其不仅会直接影响到建筑物的安全和质量，还将关系到后期的运营和使用。因此，有必要加强边坡稳定性的分析，以科学的方法来保证边坡的稳定性。某港区新生作业区一期工程位于长江左岸，主体建设内容包含5000 吨级多用途泊位7 个、60 载车位汽车滚装泊位1个以及相关配套设施。工程建设阶段，场地周边平场后形成高填方边坡，其稳定性控制尤为关键。因此，本文选择具有代表性的部位，对此类区域的稳定性展开分析。

1 边坡的成因及稳定性影响因素

从斜坡的成因来看，岩土边坡可分为两类：一类是天然斜坡，其随着地质作用而产生，常见有海岸峭壁、边坡等；另一类为人工斜坡，其主要由于人为因素作用或影响，随着人类生产活动的开展，逐步形成斜坡，例如坝肩边坡等。

边坡的形成是一个复杂、持续的过程，受地下水、风化侵蚀在内的自然因素或开挖、爆破在内等人为因素的作用或影响，或在彼此的共同作用下引发应力集中效应，超过岩土体可承受的强度极限时，破坏其原有形状结构，进而受重力作用形成斜坡。

边坡的稳定性取决于多项因素，通常可将其归结为两个方面：一是人类活动、地震、地下水渗流、风化等外部因素；二是与边坡自身的地质特性有关，具体体现在地形地貌、地质构造等内部因素方面。各类因素对边坡稳定性的影响程度不尽相同，其中内在因素起到主导作用，如果同时受到外部因素的干扰，将有可能增加边坡的下滑力，并对其的稳定性造成更大不良影响，加剧边坡的变形和破坏。

2 边坡稳定性分析的基本思路及常见方法

边坡稳定性分析的基本思路为：以勘察资料为基础，对底层结构做简化处理，建立地质模型，随后以力学理论为支撑，建立计算模型，再进一步确定计算方法，以此开展边坡稳定性的分析。

边坡稳定性分析在工程中极具必要性，随着理论的深化以及经验的积累，现阶段边坡稳定性分析的方法比较多，但常见的有工程类比法、极限平衡法、数值分析法等三种。

2.1 工程类比法

在行业发展初期，技术人员对滑坡发生的机理认识不足，缺乏完善的评价方法，针对边坡的设计以经验为主，参照类似工程，从中汲取经验，开展边坡设计工作，该方法就称之为工程类比法。工程类比法有较强的主观性，对设计者的综合素质提出较高的要求，需要具备扎实的理论基础、丰富的设计经验以及对工程实际环境的鉴别能力。在工程活动中，工程类比法因其便捷而得以广泛地应用，但其缺乏严谨的理论依据，难以形成一套完善的、可行的理论体系，面对各类特殊的地质水文条件时，以往积累的经验就难以完全适用于全新的环境，导致实际的工作方法缺乏合理性，成果偏离实际需求。由于主观因素的干扰，边坡稳定性分析结果有失真性，可能会给施工带来错误的引导，难以有效保证施工后的工程质量。

2.2 极限平衡法

作为一种定量方法，其在边坡稳定性分析中得以广泛地应用。极限平衡法以极限平衡理论为基础，充分保留该理论的优势，能够在不给出应力作用相关图形的前提下完成分析工作，并且稳定性分析结果具有参考价值。此外，对于失稳边坡而言，对其反算的强度参数有较高的真实性，能够与室内试验结果保持高度的吻合，从而给工程设计、施工等工作的开展提供重要的指导。在工程技术人员持续地探索下，极限平衡法衍生出垂直条分法、滑移线法两类细分方法，在现阶段的边坡稳定性分析中，垂直条分法应用更为广泛。

2.3 数值分析法

以土的本构关系为基础，构建地质分析模型，再将岩体划分为适量的小单元体，针对划分结果做离散化处理，在此基础上，进一步假定任一可能滑动面，将其细分为一定量的微段，进而针对各微段展开计算，确定各自的正应力、切向剪应力，最后基于产生的力学参数构建力矩平衡方程。在边坡稳定性分析中，数值分析的优势突出，可以用于计算边坡的应力和应变值。以强度指标、工况为主要的立足点，确定边坡发生变形的具体部位、程度和最危险的滑动面位置，计算稳定性系数。数值分析法充分地考虑到稳定性状况和应力应变分析，将两者紧密地关联起来，从而保证了分析结果的可靠性。实际分析中，无需假定滑动面，因而减少了工作量，提高分析的便捷性，生成的模拟结果更加直观。但需注意的是，受到土体多样性、不均匀性地影响，数值分析法的应用效果会受到制约。

如前所述，在边坡稳定性分析领域，相应的理论成果逐步丰富，在业内人士不懈地努力下，取得了显著的进步。但边坡稳定性分析有其特殊性，土壤的地质结构复杂、现场水文条件存在干扰，在多重因素的共同影响下，明显增加了边坡稳定性分析的难度，且现有评估方法普遍建立在理论假设的基础上，而实际应用环境复杂多变，因此在应用中有一定的局限性。为此，可以考虑将多种方法融合应用，以实现互补，从而得到更加可靠的分析结果。

3 地质水文状况分析

3.1 地形条件

勘察发现，现场以构造剥蚀丘陵地貌为主，地形中间高、两侧河谷低，呈明显的起伏变化。最低点、最高点分别位于长江岸边、勘察区北西侧山包，高程分别为158m、364.7m。区内植被茂密，山坡地带土层多小于1m，局部有基岩出露，公路切坡处可见区内覆盖层较薄。总体来看，场地地形、地貌具有复杂化的特征，对边坡稳定性分析提出了较高的要求。

3.2 地质构造

勘察区岩层产状SW130°～135°∠65°～75°，层面结合稳定性差，发育三组裂隙，有少量泥质充填，均属于硬性结构面，具体如下：裂隙Ⅰ产状SW220°～242°∠70°～80°，裂隙宽1～4mm，裂隙面较平整；裂隙Ⅱ产状SW290°～300°∠12°～27°，裂隙宽2～5mm，裂隙面平直、光滑；裂隙Ⅲ产状SW133°∠5～10°，裂隙宽2～4mm。

3.3 水文条件

蓄水前历年最高洪水位148.72m（1980 年），勘察时水位约162～158m，平均流量约为350m3/s，最低水位145.1m，最大水位差30.00m。三峡水库运行调度方式属于关键影响因素，其会对变幅造成较显著的影响。三峡水库运行调度的实施方案如下：每年11 月至次年4月，175m（吴淞高程）的高水位运行；6 月份至9 月份，防洪限制水位145m（吴淞高程）运行；水位变幅有明显的阶段性特征，即春夏低、秋冬高；每年存在降水位（175m→145m）和抬升水位（145m→175m）。

3.4 地质条件

地质条件方面，该港区岩性包含第四系全新统人工填土、冲洪积层、坡残积层等，其间夹砂岩、泥质砂岩。水文条件方面，区域内陆域175m 以上部分的水源以大气降水补给为主，该范围存在地表水和地下水，沿地面自高向低的路径形成降雨流动；175m 及以下区域，除了大气降水外，还存在一定程度的长江江水补给形式，该区地下水与长江连通。为进一步探明勘察区的水文条件，组织初勘抽水试验，实测结果显示，卵石土渗透系数根据分布位置的不同而存在差异，具有临长江一侧较大的特点；随长江水位的涨落，地下水位随之发生升降变化。侵蚀基准面标高为长江173.31m。

3.5 边坡的设计意图

遵循因地制宜的原则，根据掌握的勘察信息合理组织设计。填方边坡坡率1∶1.75～1∶2.5；对局部边坡坡率做灵活的调整，其中滚动机械库、工具材料库、滚装车停车场北西侧填方边坡划分为两个部分，予以针对性地设计，即水上、水下部分，坡率分别为1∶1.75、1∶3，考虑到边坡的稳定性要求，用钢丝网石笼护坡的方式有效防护水下部分。

4 边坡的稳定性分析

边坡分为14 段土质填方边坡，本文选取其中的某一段，对其展开稳定性分析。

4.1 计算工况的选择

工程位于长江左岸，因此需考虑多种水位，针对各个条件展开分析，并结合长江水位的变化，以保证分析结果的完整性。因此，考虑的水位包含145m 水位、173.31m 水位和水位下降，工况考虑天然和饱和两类，据此展开填方边坡稳定性的分析。

4.2 边坡参数的选择

经过岩土试验后，获得关键的参数，具体如下：

（1）岩土界面人工填土天然内摩擦角取26°，黏聚力取5kPa；考虑到填土的压实度，并组织现场试验等相关工作，经过系统性地分析后，确定人工填土与基岩面的最终抗剪强度指标。

（2）人工填土天然重度20.0KN/m3，饱和重度20.5KN/m3；人工填土内部饱和内摩擦角26°，黏聚力取3kPa。

（3）粉质黏土天然重度19.9KN/m3，饱和重度取20.1KN/m3；粉质黏土饱和内摩擦角取8.62°，黏聚力取15.17kPa。

4.3 填方边坡的稳定性分析

边坡代表剖面37～37’，总体坡向217°，长约149m，高约19.0～38.0m，为土质边坡，按1:2 分阶放坡，具体如图1 所示。其中，岩土界面倾角不尽相同，较陡处达到10°，平缓处1°～5°，属于超限边坡，进一步考虑边坡受损后可能出现的情况，确定合适的安全等级为一级。除此之外，局部岩土界面倾角较陡，在此分布状态下，易威胁到边坡的稳定性，例如沿岩土界面发生不同程度的滑移，应予以高度重视。剖面计算如图1 所示。

图1 剖面计算示意图

4.4 边坡支护的建议

以掌握的边坡实际特性为出发点，探寻合适的边坡支护措施，切实保证边坡的稳定性。结合现场情况，建议采取“片石护坡+放坡+坡脚支挡”的综合型方案，水上、水下两部分的坡率分别按1:2、1:3 进行控制。填筑前，先全面清理坡面原生土体，以免该部分的存在而影响正常施工；填筑面设逆坡台阶，材料以砂岩块石为宜，要求此类材料有足够的抗压强度。边坡高度较大，且易受水位影响，考虑到该环境的复杂性，建议按照如下方式进行取值：砂岩基底、泥岩基底各自的摩擦系数分别为0.50、0.40；极限黏结强度标准值，砂岩岩体与锚固体取1050kPa，泥岩岩体与锚固体取440kPa。水平抗力系数方面，人工填土取7MN/m3，砂岩取360MN/m3，泥岩取80MN/m3。

边坡填方高度较大，因此在施工时需要加强对不均匀沉降的有效控制，以免威胁到边坡的稳定性。此外，边坡涉水，其稳定状态可能会受到三峡库水位升降的影响，例如存在水位升降的情况时，堆积在边坡处的小颗粒物质将被冲刷走，并且由于水浸泡时间的延长，边坡物质的稳定性下降，因此需要针对边坡坡面采取有效的防护措施，尽可能隔绝水的侵蚀作用，以免江水进入坡体内，从而在源头上保证边坡的稳定性。