秦淮河开挖护岸基坑边坡降雨入渗动力学分析

2023-12-06曹洋

海河水利 2023年11期

曹洋

（江苏中泰建发集团有限公司，江苏泰州 225300）

内河航道整治工程中，构筑护岸结构一般使用重力式C25 混凝土挡土墙，用来防止边坡泥土进入河道，然而在构筑挡土墙前需开挖其相应的基坑。由于基坑的体量大且深度深，势必会带来降雨入渗造成基坑边坡滑移的风险，从而给基坑开挖施工带来安全隐患。本研究针对江苏地区雨季施工及工程量较大的特点，从降雨入渗动力学角度，分析挡土墙基坑开挖形成的土质边坡稳定性问题。

1 工程概况

本研究选取江苏省南京秦淮河（溧水石臼湖—江宁彭福段）航道整治工程，工程全长21 km，按照四级航道标准整治，最大设计航道等级为500 t 级，航道设计底宽不小于40 m，最小通航水深不小于2.5 m，最小弯曲半径为320 m。江苏中泰建发集团有限公司（以下称施工方）承建其中第6标段护岸工程，长约3 km。

由于重力式挡土墙基坑开挖的土质体量大，如果边坡支护措施欠缺，在挡土墙浇筑过程中可能会出现边坡滑移而给施工人员带来安全隐患。按照设计规范要求，施工基坑断面稳定系数应大于1.2，但在实际施工中需综合考虑岩土的密实度、饱和度等降雨入渗形成的流固耦合影响，以减少或避免基坑边坡施工安全隐患。

2 基坑边坡流固耦合施工环境

重力式挡土墙基坑开挖，在正常施工条件下往往不重视土质的饱和度，但由于降雨入渗因素的影响，会形成边坡滑移而大面积塌方，由此带来的施工安全隐患不容忽视。从岩土动力学来说，长时间的天降大雨将抬升地下水位使得土体孔隙水压力升高，致使边坡土体的抗剪强度下降，在基坑边坡区域形成暂态饱和区[1]，因此施工方应重视雨水的瞬态渗流对基坑边坡应力的影响变化。针对此类施工安全隐患，施工方应分析其成因，采用实际试验和理论计算相结合的方法，制定深基坑边坡安全施工预案，采取有效的安全施工防范措施，并关注其对重力式挡土墙浇筑质量的影响。

2.1 研究模型选择

施工段重力式挡土墙基坑开挖断面如图1 所示，分层开挖桩号为43K+200—43K+725（长525 m），平地开河段设计为B2型护岸，原地面高程10.0 m左右。施工段上层为黏土，下层为全风化角砂岩，此段施工要求按坡比断面分层开挖至河底高程。为便于研究，选择的基坑开挖边坡简化后的模型如图2 所示，图中边坡角度为38°，高度6 m。根据本标段工程的岩土勘察报告以及取样试验，假设初始地下水位低于边坡底部，经试验得出土层基础力学指标为弹性模量8.5 MPa、泊松比0.33、凝聚力11 kPa、摩擦角18.2°。

图2 基坑简化边坡几何模型

2.2 模型流固耦合计算理论

本标段施工区的地质一般在5.5 m 以下能挖到全风化角砂岩，比纯黏土层孔隙小，导致地下水含量较少。在边坡土体的地下水位不高的情况下，土体内部孔隙水压力会处于相对平衡状态，但当发生较长时间强降雨时，土体的饱和度将会随之发生变化：从残余饱和度向最大饱和度过渡[2]。而从土力学来看，由于降雨将导致土体产生应力、应变的变化，在一定环境因素作用下，应力与应变具有内在的关联性[3]。

在边坡土体的地下水位不高的情况下，土体渗透系数与基质吸力关系为：

式中：Kw为基质吸力（kPa）；Kws为土体饱和时的渗透系数（m/h），取0.018 m/h；ua为土体中的气压（kPa），取0；uw为土体中的水压力（kPa）；aw、bw、cw为材料系数，分别取950、0.02、1.64。

在边坡土体的地下水位比较高的情况下，如雨水渗入土体，则土体饱和度计算公式为[4]：

式中：Sr为土体饱和度；Si为残余饱和度，取0.07；Sn为最大饱和度，取1；as、bs、cs为材料吸收系数，分别取1、4.8×10-5、3.3；其余变量含义同上。

本研究模拟边坡开挖施工环境，模型所需基础参数取自工程岩土勘察报告及取样试验成果，模型计算依据为式（1）和式（2）。根据计算结果，分析施工模型在降雨入渗过程中的力学性能，以期为施工方对基坑分层开挖安全施工管理提供数据支撑。

3 基坑边坡流固耦合计算与分析

秦淮河航道整治工程第6 标段为重力式挡土墙基坑开挖，需要按照施工组织设计进行施工。根据相关文献记载，由于施工土体经常受降雨入渗等环境条件的影响，存在基坑施工安全隐患及由此引发的对挡土墙浇筑质量构成病害等问题[5，6]。本研究拟采用对比方法，利用ABAQUS 有限元分析软件计算无降雨和有降雨2 种工况下施工过程对土体应力和应变的影响。依据江苏地区雨季时中等降雨气象统计资料，针对降雨气象条件分为2 个时段点即23.07 和53.82 h 统计，在计算约束条件选择中，剔除非正常强降雨年份对航道施工不利影响因素。

3.1 孔隙比变化

根据有关文献资料记载，基坑分层施工中，土层稳定与其孔隙比密切相关，并且对基坑边坡下滑力、抗滑力有重要影响[7]。由于土体的密实度不同，孔隙比会存在明显差异。降雨23.07 和53.82 h 孔隙比情况，如图3所示。

图3 孔隙比对比

从图3可以看出，在降雨23.07 和53.82 h 2个时段点，孔隙比的变化不大。图3（a）表明在降雨23.07 h时，土体的孔隙比接近最大值0.9996（在平均75%的条件下），且表层土体的孔隙比要比深层土壤大。图3（b）表明在基坑施工中，需要关注长时间强降雨天气，如可采取表层覆盖土工膜，保持孔隙比在土体中变化分布均匀，便于下道工序能安全施工。

3.2 孔隙压变化

在基坑分层施工中，当已知土层孔隙比的分布规律时，则需要进一步探究其中的水压力，可用孔隙压来表征。无降雨和降雨23.07 h 孔隙压情况，如图4所示。

图4 孔隙压对比

从图4（a）可以看出，在长期无降雨的情况下，土体处于非饱和区，随着土体高程增大，向上基质吸力逐渐增大，当超过一定高程（4.3 m）后基质吸力保持不变状态。而从图4（b）可以看出，当中等降雨达到23.07 h 时，孔隙压的等值线分布与无降雨状态相比，其差异变化比较明显，即边坡顶部以下的基质吸力区范围进一步减少，土体的饱和度逐渐增大；当降雨停止一段时间（一般为4 d）后，又回到图4（a）状态，即随着土体饱和度减小，孔隙压也在减小，基坑边坡表层的基质吸力将恢复到初始状态。

3.3 饱和度变化

在基坑施工组织设计中，除了关注孔隙比、孔隙压参数之外，基坑边坡土体的饱和度与降雨关系极大，如图5 所示。从图5（a）可以看出，长期处于无降雨状态下，土体基质吸力大，基坑底部绝大部分区域土体处于欠饱和状态，介于基坑底部和顶部比较小的区域（图中深色部分）土体处于饱和状态。从图5（b）可以看出，经过53.82 h 降雨后，基坑底部土体已处于饱和状态，最大饱和度值达到1.06，此时土体基质吸力处于极小状态。此外，从图5 还可以看出，当超过一定高程后，基坑边坡的基质吸力保持不变。

图5 饱和度对比

3.4 孔隙水有效速度变化

分析基坑边坡土体孔隙水的流速，需要做有效速度对比分析。分3 种情况讨论模拟孔隙水有效速度等值线，如图6所示。

图6 孔隙水有效速度对比

从图6（a）可以看出，由于无降雨，孔隙水有效速度比较小且分散，没有形成集聚态势，符合一般基坑孔隙水有效速度在无降雨下的分布特征。从图6（b）可以看出，当降雨达到23.07 h 后，基坑边坡表层孔隙水有效速度在增大，而且集中于边坡下半部分，边坡土层的下滑力有增大的趋势，易形成土体分裂面，在雨季基坑需要加强支撑措施。从图6（c）可以看出，当降雨达到53.82 h 后，基坑表层孔隙水有效速度继续增大且集中在边坡夹角处，可能存在边坡滑移的风险。此外，从图6（c）还可看出，在降雨入渗形成的流固耦合作用下，距离边坡夹角约2 m 处出现的渗水有效流速增大，其基坑土层内部的孔隙水有效流速也有相应增大的趋势，土体的位移自由度将会与边坡表层渗水产生耦合效应，从而使得基坑边坡存在大面积孔隙水有效速度。

3.5 应力变化

基坑分层开挖施工，最大的安全隐患是基坑边坡大面积滑移，且滑力随应力而变化。据文献记载，当下滑力小于抗滑力时，边坡土层处于稳定状态，反之则处于失稳状态[8]。

在基坑土层中，应力反映了土体的受力状态。基坑边坡竖向应力S33的等值线如图7所示，经历无降雨到降雨23.07 h后的竖向应力S33的变化是比较明显的。降雨后边坡竖向应力减小，主要原因是孔隙压增大，基坑表层最大拉应力为10.02 kPa、最大压应力为144 kPa，处于基坑边坡未开挖最底层。由此可见，当边坡竖向应力S33减小到一定程度时，拉应力到达屈服面并沿屈服面向左下方基坑底部移动，如图7（b）所示；而当屈服面继续增大且土层没有外力约束的情况下，将会形成塌方面，施工方需要引起高度重视。当降雨减小并停止一段时间后，在屈服面不断收缩的情况下，压应力又回到图7（a）所示状态。

图7 边坡竖向应力对比

3.6 竖向应力与孔隙水有效速度、孔隙比之间的关系

根据现场施工实际经验，本研究选择了经历降雨23.07 h后边坡竖向应力与孔隙水有效速度、孔隙比之间的关系，如图8所示。

图8 竖向应力随孔隙水有效速度、孔隙比的变化

从图8 可以看出，竖向应力在边坡基坑开挖过程中，遇到强降雨约1 d 后，基坑上部表层的土体孔隙水有效速度、孔隙比变化明显增大，沿着表层屈服面拉应力显著增长，然而当超过屈服面时则形成土体开裂面，表明土层有下滑趋势。此外，结合图3、图5 和图6，当经过2 d 强降雨后，受流固耦合作用，边坡孔隙水有效速度、孔隙比、饱和度等参数变化加快，边坡开裂坍塌风险加大。因此，施工方要做好深基坑施工强降雨预防措施，如表层采用土工布覆盖、加强智能化排水监测、使用管排桩围挡等支护措施开挖坡面。