基于M-P 土条分割法的某海岸带瀉湖边坡力学特性研究

2023-11-11李涛龙

陕西水利 2023年11期

李涛龙

（深圳市广汇源环境水务有限公司,广东深圳 518000）

1 前言

海岸带瀉湖由于海水的涨潮和落潮现象逐渐演化形成,瀉湖内由于水位相对稳定,常是许多生物的繁衍栖息地,瀉湖边坡的稳定性对海洋生物的演化,以及海岸景观都具有重要影响。许多学者对瀉湖边坡的稳定特征进行了研究。肖诗荣等[1]通过对比方法研究了水库下游河道侵蚀下切速度的变化特征。研究结果表明：水库的清水下泄加剧了下游河道侵蚀下切速度。李砚青等[2-3]针对高陡黄土岸坡在水库蓄水后常出现失稳破坏的现象进行了研究。研究结果表明：控制开挖边坡坡率能够有效提高该类边坡的安全系数。梁为邦等[4]采用“两段法”预测水库库岸坍岸可能区域范围。研究结果表明：该方法能够为涉及临界生活区域的水库库岸坍岸预测提供可靠结果。姜泽宇等[5]运用多波束测深系统对横沙岛北侧岸坡冲刷特征进行了相关研究。研究结果表明：近岸冲刷坑构成了横沙北侧岸坡特征性地貌,且有长期演化存在的趋势。

综合以上对当前大量学者对临水岸坡的研究,可知：大多学者对临水岸坡的失稳机制进行了广泛研究,采用了监测、地质条件分析、物理模型试验、数值模拟等多种方法,而对临海地区海岸带广泛发育的瀉湖地貌景观的关注度则较低。为了对海岸带瀉湖岸坡的稳定特征进行分析研究,本文结合广东省海岸带瀉湖岸坡工程实践,采用Geo-slope 软件中的M-P 分析方法对其进行实体建模分析,通过分析临界滑带岩土体与下部岩土体的相互作用,以及临界滑带中各条块的提供的单宽滑移力变化,和其滑块受力计算过程,得出该类边坡的稳定性特征。

2 工程概况

本文以广东省海岸带瀉湖岸坡工程实践为例,边坡坡高15 m,边坡共有四层岩土体组成,自上而下分别为人工杂填土、粉质黏土、粉砂和沉积砂岩层,各层厚度分别为3 m、4 m、5 m、3 m,其中,边坡共分四级边坡坡度,从左至右各级坡度分别为2.3°、15°、37°、48°。边坡各层岩土体的工程力学特性见表1。

表1 地层物理参数

3 模型建立及参数选取

根据上述表1 中所示的各层岩土体材料特性,选取摩尔库伦模型进行材料设置,按照实际边坡体进行模型构建,并根据各层岩土体厚度进行区域划分,将已设置好的各层岩土体材料赋值给划分好的边坡各层岩土区域,同时进行水位线设置,构建的计算分析用边坡模型见图1,边坡体右侧和下部采用全约束。

图1 海岸带瀉湖边坡模型

4 模拟计算结果分析

为了分析边坡体临界滑面上滑体与下部基岩体之间的相关作用关系,分别将计算结果中的滑体滑移力和滑体与基岩面相互间的作用力数据导出。

图2 为单宽土条滑移力随X 值不断增大的变化特征,在X=0～6 m 区间内,单宽土条滑移力由20 kN/m,近似直线增大至最大值140 kN/m,在X=6 m～8 m 区间内,单宽土条滑移力由140 kN/m,近似直线减小至120 kN/m,随后呈抛物线抬升小段距离又接抛物线型逐渐减小变化趋势,减小至X=22 m 处的7 kN/m,大于100 kN/M 的单宽土条滑移力处于区间X=4 m～14 m内。即土条滑移力在X=4 m～14 m 范围内提供了较大的下滑作用力。

图2 土条滑移力变化

为了分析边坡体临界滑面上滑体与下部基岩体之间的相关作用关系,绘制了如图3 所示的土条与基底法向力随X 值自左向右不断增大的变化特征。

图3 土条与基底法向力变化

如图3 所示的土条与基底法向力随着X 值不断增大的变化特征,在X=0～6 m 区间内,土条与基底法向力随着X 值不断增大由-10 kPa,近似直线增大至100 kPa,在X=6 m～8 m 区间内,土条与基底法向力随着X 值不断增大由100 kPa,近似直线减小至90 kPa,随后呈抛物线抬升小段距离有接抛物线型逐渐增大至X=13.5 m 位置处的最大值113 kPa,又呈抛物线减小变化趋势,减小至X=22 m 处的15 kPa,大于80 kPa 的土条与基底法向力处于区间X=5 m～18 m 内。即土条与基底在X=5 m～18 m 范围内提供了较大的抗滑作用力。

为了分析孔隙水压力对边坡稳定性的影响,绘制了如图4 所示的岩土体内的孔隙水压力随X 值自左向右不断增大的变化特征。

图4 孔隙水压力随X 值变化图

如图4 所示的孔隙水压力随着X 值不断增大的变化特征,在X=0～2 m 区间内,孔隙水压力随着X 值不断增大由-100 kPa呈抛物线型增大至X=15 处的最大值0 kPa 又呈抛物线型减小至X=22 m 位置处的-10 kPa,在X=8 m～22 m 区间内,孔隙水压力位于-20 kPa～0 kPa范围内,该段土体受蓄水影响较小。

为了对M-P 方法的力学计算原理的合理性进行分析,绘制了如图5 所示的条块1 的M-P 计算方法简图。

图5 条块1 的M-P 方法的计算示意

如图5 所示的条块1 的M-P 方法的计算力学图,由图可见,该方法满足力的平衡条件,计算过程中主要考虑土条自重（条块1 为9.19 kN）,条块与条块间的法向力（条块1 左侧为15.14 kN、右侧为19.35 kN）,条块与条块间的相互作用剪力（条块1 左侧为15.54 kN、右侧为0.63 kN）,由右侧条块所受力的闭合特征可知,M-P 计算方式满足力矩平衡。

为了进一步验证上述对M-P 方法的力学计算原理的分析,绘制了如图6 所示的条块9 的M-P 计算方法简图。

图6 条块9 的M-P 方法的计算示意

如图6 所示的条块9 的M-P 方法的计算力学图,由图可见,该方法满足力的平衡条件,计算过程中主要考虑土条自重（条块1 为93.45 kN）,条块与条块间的法向力（条块9 左侧为190.7 kN、右侧为219.79 kN）,条块与条块间的相互作用剪力（条块9 左侧为49.81 kN、右侧为62.82 kN）,条块与基底间的相互作用的法向力和剪力（法向力为81.89 kN、右侧为24.73 kN）,由右侧条块所受力的闭合特征可知,M-P 计算方式满足力矩平衡。同样得出与条块1 分析相同的结论。说明M-P 方法的合理性和计算结果的可靠性。

对软件通过M-P 方法试算滑面从而确定该边坡最不利的临界滑面的计算过程进行示意,如图7～图10 所示的第100、129、245 和18 号滑面的安全系数,表2 根据试算滑面的安全系数大小排列,给出了部分试算滑面的几何信息。