水下基槽邊坡合理坡率選擇探討

朱世柱 孟慶祥

(天津海河下游開發(fā)有限公司，天津 300457)

水下基槽邊坡合理坡率選擇探討

朱世柱 孟慶祥

(天津海河下游開發(fā)有限公司，天津 300457)

利用數(shù)值分析模型對不同坡度條件下水下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了探討，分析了不同坡率邊坡各位置的應(yīng)力、位移、變形速率等參數(shù)，并對邊坡失穩(wěn)主要原因及破壞發(fā)生位置進(jìn)行了討論，為類似問題的研究奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)值模擬，水下邊坡，坡率，穩(wěn)定性

1 研究背景

近年國內(nèi)外興建了多座沉管隧道，根據(jù)所開挖土層的不同，其水下邊坡坡率差異較大，一般為1∶(1.5～1.4)(少數(shù)情況緩于1∶4，甚至達(dá)到1∶8)。這與現(xiàn)階段水下邊坡的計算理論不是很成熟有一定關(guān)系，某些情況下理論計算得到的水下邊坡坡率較陡，但實(shí)際施工時，從安全角度考慮還是選擇了較緩的坡率。水下基槽邊坡合理坡率的確定，直接影響水下開挖的土方量和管段沉放后的回填土方量，也會影響工程的工期和造價。坡率過緩，基槽開挖量與回填量均較大，工程不經(jīng)濟(jì)；坡率過陡，在施工中可能引起邊坡坍塌，威脅施工安全。尤其在浮運(yùn)沉放工程中，如果出現(xiàn)基槽邊坡穩(wěn)定性問題，整個浮運(yùn)沉放工程可能功虧一簣。因此，基槽邊坡合理坡率的確定是工程設(shè)計和施工中必須慎重解決的問題。

中央大道海河隧道工程是天津市濱海區(qū)中央大道穿越海河的重要節(jié)點(diǎn)工程，位于天津市濱海新區(qū)于家堡中心商務(wù)區(qū)和東西沽地區(qū)，是溝通濱海新區(qū)中心商業(yè)區(qū)海河南北兩岸的重要通道。路線全長4.3 km，其中穿越海河255 m采用沉管法施工工藝。穿越土層主要為淤泥質(zhì)土，局部為力學(xué)性質(zhì)較差的粉質(zhì)粘土、粘土夾層。為了保證水下浚挖施工安全，有必要對基槽邊坡的合理坡率進(jìn)行分析研究。本文以中央大道海河隧道為工程背景，運(yùn)用有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件，建立三維數(shù)值模型，對不同坡度條件下開挖狀態(tài)水下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行探討。通過比較分析不同坡度基槽邊坡各個位置的應(yīng)力、位移、變形速率等參數(shù)，綜合分析不同坡度條件下邊坡失穩(wěn)的發(fā)生概率及破壞發(fā)生的區(qū)域位置。

2 分析模型的建立

根據(jù)海河隧道實(shí)際工況，基槽頂部最深處位于水面以下5 m，開挖深度約為水下15 m(水位絕對標(biāo)高：0.00 m)，基槽斜坡的開挖寬度為60 m～120 m不等，斜坡坡腳距離基槽中心20 m。為減少邊界效應(yīng)的影響，模型尺寸設(shè)定為132 m×10 m×30 m。坡頂標(biāo)高偏于安全考慮，取-5.0 m，土參數(shù)采用固快指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工程進(jìn)行計算，模型上表面作用的水荷載和超載共60 kPa，初始水位設(shè)為0 m。X方向約束左右邊界橫向位移，Y方向前后邊界約束豎向位移和橫向位移，Z方向底面邊界約束豎向位移和橫向位移，上表面為自由面。水下邊坡的土層簡化為四層，采用固快指標(biāo)進(jìn)行分析，土層厚度及力學(xué)參數(shù)自淺至深排序見表1。

表1 土層參數(shù)取值

參考實(shí)際開挖方案，本次分析設(shè)計了基槽邊坡為1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8等五種坡比進(jìn)行對比計算，分別改變最上層土體的坡度，并將第②,③層土體坡度固定為1∶4，模擬基槽開挖完成后邊坡的豎向、水平位移及應(yīng)力分布情況。具體計算條件如下：

1)綜合坡比為1∶4(邊坡從下至上寬度分別為12 m，4 m，16 m)；

2)綜合坡比為1∶5(邊坡從下至上寬度分別為15 m，4 m，16 m)；

3)綜合坡比為1∶6(邊坡從下至上寬度分別為18 m，4 m，16 m)；

4)綜合坡比為1∶7(邊坡從下至上寬度分別為21 m，4 m，16 m)；

5)綜合坡比為1∶8(邊坡從下至上寬度分別為24 m，4 m，16 m)。

3 計算結(jié)果分析

通過分析計算，得到了不同坡率下水下基槽各位置位移和應(yīng)力的分布情況，部分計算結(jié)果見圖1。

對數(shù)值計算的結(jié)果進(jìn)行分析可知：開挖完成后的水下基槽，隨著邊坡的坡度增大，豎向和水平位移顯著增加。最大豎向位移出現(xiàn)在坡頂附近區(qū)域，方向向下；坡腳附近一定范圍內(nèi)處出現(xiàn)豎向位移負(fù)值(即土體隆起)，但隆起量不大，發(fā)生土體隆起的范圍隨邊坡坡度增大而增大。最大水平位移出現(xiàn)在坡頂下側(cè)的邊坡位置，方向指向邊坡外側(cè)，而水平方向最大位移大于豎向最大位移。

在位移分析基礎(chǔ)上，可以計算出邊坡安全系數(shù)FS，計算發(fā)現(xiàn)，隨著邊坡坡度的增大，安全系數(shù)明顯減小。計算位移值和安全系數(shù)計算值見表2。此外，本文發(fā)現(xiàn)不同坡度下潛在滑動面范圍區(qū)別明顯，坡度較大時，潛在滑動面的規(guī)模較大，滑動位移顯著；隨著坡度減小，潛在滑動面規(guī)模和滑動位移也明顯減小，這也說明邊坡坡度顯著影響邊坡的穩(wěn)定性，見圖2。因此，綜合比較不同坡度的位移、滑移面模擬圖和安全系數(shù)計算值，分析認(rèn)為：從工程安全的角度考慮，選擇較緩的坡度能夠有效提高水下基槽的穩(wěn)定性。

表2 不同坡率下位移值和安全系數(shù)

為與現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行比較，本文選取實(shí)際工程中5個斷面進(jìn)行了水下檢測，由基槽試浚挖過程回淤檢測報告可得出各斷面回淤情況如圖3所示。

圖3表明：開挖階段基槽回淤量較大，1—1斷面回淤厚度為2.01 m。海河沉管隧道基槽浚挖土方量約為49萬m3，開挖深度為現(xiàn)狀河床底以下約13 m。沉管前試開挖發(fā)現(xiàn)海河河床多年未進(jìn)行清淤工作，淤泥層厚，回淤量大且水下作業(yè)可視差，風(fēng)險性高，施工困難，同時考慮開挖和回填土方量，實(shí)際開挖時上部坡率采用1∶8。同時為減少基槽回淤量，應(yīng)該適當(dāng)放緩表層淤泥層范圍內(nèi)基槽邊坡，在河道上下游基槽浚挖附近設(shè)置兩條回淤槽；在此基礎(chǔ)上，精心組織基槽開挖和管段沉放等工序的施工，盡可能縮小基槽開挖和管段沉放的間隔時間，防止時間過長造成淤泥的沉積。

綜合考慮基槽上部的回淤量、邊坡安全系數(shù)、開挖和回填土方量等因素，基槽下部坡率選用1∶4，上部坡率選用1∶8是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

[1] 周順華,劉建國,李堯臣.水下邊坡穩(wěn)定性分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2002,37(2):180-185.

[2] 劉建國,周順華,宮全美.水下邊坡穩(wěn)定性計算模式的探討[J].上海鐵道大學(xué)學(xué)報,2000,21(2):35-38.

[3] 孫書偉,林 杭,任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

[4] 劉 濤,沈明榮,陳建峰,等.水下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算模式的探討[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006(4):5-8.

[5] 趙 杰.邊坡穩(wěn)定有限元分析方法中若干應(yīng)用問題研究[D].大連:大連理工大學(xué),2006.

[6] 周紅祖,劉曉輝.邊坡穩(wěn)定分析的原理和方法[J].高等教育研究,2008,25(1):91-93.

[7] 韓愛民,李建國,傅國利,等.基于有限差分強(qiáng)度折減法的多級邊坡破壞模式研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2006(3):784-788.

On exploration for selection of reasonable slope ratio at underwater foundation trench slope

ZHU Shi-zhu MENG Qing-xiang

(Tianjin Haihe Downstream Development Co., Ltd, Tianjin 300457, China)

The paper adopts the numeric analysis model, explores the underwater slope stability under different slope conditions, analyzes some parameter of the slopes, including the stresses at various positions, displacement and deformation rate, and discusses main reasons for the slope instability and parts with damages, so as to lay the foundation for the research on similar problems.

numeric simulation, underwater slope, slope ratio, stability

1009-6825(2014)36-0063-03

2014-10-15

朱世柱(1981- )，男，工程師； 孟慶祥(1974- )，男，高級工程師

TU413.62

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