水閘連接段岸坡臨時開挖穩定分析

林詩然

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635）

水閘連接段岸坡臨時開挖穩定分析

林詩然

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635）

北河橋閘重建工程是在舊閘原址重建。右岸鏈接段岸坡的地質鉆孔資料揭露存在軟弱土層，經過施工期的穩定計算，不能滿足規范要求。考慮到右岸鏈接段岸坡臨時邊坡開挖受到場地的限制，采取其他加固防護措施已經沒有條件，在迫不得已的情況下，利用現有岸坡穩定的狀況，采取對滑動土層c、φ值的反演推算，來重新分析臨時邊坡開挖的穩定狀況。工程實際施工與演算結果符合，工程順利完工，對臨時邊坡開挖工程有一定的參考作用。

反演推算；岸坡臨時開挖；穩定計算

1 工程概況

揭陽市北河橋閘工程由攔河閘、船閘、公路橋、引水涵組成。工程位于榕江北河的揭東縣新亨鎮秋江村，是一宗以灌溉為主，兼有防洪、水陸交通、城鄉工業及居民生活用水等綜合利用的水利工程。閘址位于榕江支流北河的中游，地處揭東縣新亨鎮秋江村，距下游揭陽市區直線距離約13km，距下游北河出口長約40km，距榕江入海口牛田洋約60km。工程于1975年10月興建，1976年6月完成。1998年進行了部分水毀工程的加固。工程等別為Ⅱ等，工程規模為大(2)型。

原攔河閘主閘總寬217.7m，分35孔，每孔凈寬5.0m，其中第1～2孔、第34～35孔為旱孔，無閘門，底板高程3.8m。第33孔為船閘，第3～32孔底板高程0.5m，設鋼筋混凝土平板閘門，閘身底板及閘墩為漿砌塊石結構，閘門啟閉機工作臺為鋼筋混凝土結構。船閘位于右岸的第33孔，為圓拱直墻式結構。

重建攔河閘溢流前緣總寬度為173m，閘孔總凈寬145m，分10孔布置。其中9孔為攔河水閘，1孔為電站引水口。右岸土壩采用均質土壩，壩頂高程13.20m，上下游邊坡為1∶2.5，均采用砼護坡。土壩長45.4m，最大壩高13.20m；壩頂寬度8.5m，上游設0.20m厚的砼護坡；下游為草皮護坡。

右岸土壩為原攔河閘第34～35旱孔、第33孔船閘和第32孔水閘的一部分。見圖1。

圖1 右岸連接段剖面圖

2 地質狀況

2.1 地震

根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》、《中國地震動反應譜特征周期區劃圖》GB18306-2001，本區位于地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.35s的范圍內，相應地震基本烈度為Ⅶ度。根據區域資料，沒有活動性斷裂通過工程區、地震活動，工程區位于區域相對穩定區。

2.2 地層巖性及其物理力學性質

根據區域地質資料和本工程勘察成果，閘址區分布地層有第四系填土層（QS）、第四系沖積層（Qal）、及燕山三期花崗巖（γ53（2））。現由上至下分述如下。

(1) 第四系填土層（1）（QS）

右岸土壩填土主要由粉細砂、粉質粘土、粉土、中粗砂等組成，局部夾少量卵石、塊石，成分較復雜，為不均質體，厚度一般2.3m～8.9m，層底高程-2.76m～4.92m。填土層中砂土及粘性土分布較雜亂，做標貫試驗8次平均為5擊，砂土呈松散狀，粘性土為可塑狀。土的主要物理力學指標為：天然含水率27.6%，天然密度1.88g/cm3，天然孔隙比0.785，塑性指數14.3，液性指數0.45，壓縮系數0.357MPa-1，壓縮模量5 MPa，屬中壓縮性土；飽和快剪凝聚力4kPa，摩擦角11.0°。滲透系數1.16×10-7cm/s，屬中等透水層。

(2) 第四系沖積層（2）（Qal）

該層在河床普遍分布，根據組成物質的成份，可分為（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）、（2-5）、（2-6）六個亞層，各亞層特征分述如下：

（2-1）粉土、粉砂層，土黃、褐黃色粉土，粘性差或無粘性，松散～稍密狀為主。層厚3.5m～5.8m，層底高程-1.88m～0.44m。在該層中做標貫試驗6次，平均為5擊。在該層中取到一組土樣，主要指標為：水上休止角39.5°，水下休止角33.5°，破壞坡降2.08，滲透系數為1.51×10-4cm/s。總體上，該層土物質組成以粉土粒、粉細砂粒為主，密實性差，松散狀。

（2-2）含礫中粗砂、礫砂層，褐黃色、淺黃色中粗砂、礫砂組成，局部夾少量泥質細砂、粘性土，級配較好，飽和。揭露層厚1.0m～7.9m，層底高程-7.3m～-0.88m。在該層做標貫試驗14次，貫入數為4擊～23擊，平均14擊。呈稍密狀。休止角38.3°，水下休止角32.0°，在稍密狀態下滲透系數為7.29×10-3cm/s。

（2-3）淤泥、淤泥質土層，灰黑色淤泥、淤泥質粘土組成，局部夾淤質砂，含有腐木及有機質，呈流塑～軟塑狀。普遍發育，層厚0.5m～11.6m，層底高程-11.28m～-2.56m。在該層做標貫試驗26次，貫入數為1擊～4擊，平均2擊。在該層取原狀土樣5件，土的類別以淤泥為主，主要指標平均值為：天然含水率66.6%，天然密度1.63 g/cm3，孔隙比1.72，塑性指數22.8，液性指數1.66，壓縮系數1.423MPa-1，壓縮模量1.83MPa，屬高壓縮性土；飽和快剪凝聚力6kPa，摩擦角4.4°。

（2-4）淤質粉細砂、中細砂層，灰色、淺黑色淤質粉細砂、中細砂，局部含礫砂、淤泥，飽和。層厚0.9m～8.8m，層底高程-10.73m～-6.07m。在該層做標貫試驗5次，貫入數為5擊～11擊，平均7擊。取擾動砂樣3件，砂的類別以粉細砂為主，主要指標平均值為：礫石含量21.2%，砂粒含量67.4%，粉粒、粘粒含量11.4%，有效粒徑0.06mm，不均勻系數85.78，曲率系數9.83，水下休止角31.8°，在松散狀態下滲透系數為2.32×10-3cm/s。

（2-5）礫砂、含礫中粗砂層，褐黃色、灰黃色礫砂、含礫中粗砂組成，含泥質較多，飽和，中密為主，局部夾中細砂及粘性土薄層或含少量20mm～30mm卵石。揭露層厚2.7m～12.8m，層底高程-19.62m ～ -10.94m。在該層做標貫試驗45次，貫入數11擊～43擊，其中4次貫入數10擊～15擊，32次貫入數15擊～30擊，呈中密狀，9次貫入數大于30擊平均為25擊。土的類別以礫砂、含礫中粗砂為主，在中密狀態下滲透系數為2.09×10-2cm/s。

（2-6）粘性土層，青灰色、褐黃色、土黃色粘土組成，局部含腐殖質，夾粉質粘土、粉土、細砂薄層，粘塑性好，可塑狀。層底高程-23.36m～-8.78m，層厚2.1m～10.6m。在該層做標貫試驗48次，貫入數4擊～36擊，平均8擊。主要指標平均值為：天然含水率29.9%，天然密度1.92g/cm3，天然孔隙比0.79，塑性指數18.8，液性指數0.42。壓縮系數0.324MPa-1，壓縮模量5.64MPa，屬中壓縮性土；飽和快剪凝聚力12 kPa，摩擦角6.7°。

(3) 燕山三期花崗巖（γ53（2））（Ⅴ）

褐紅色、褐黃色、灰白色全風化中粗粒花崗巖、煌斑巖等組成，一般風化較均勻、透徹，呈砂質粘土、粉土狀，粘塑性一般，局部位置含風化不透的強風化巖碎塊。主要指標平均值為：天然含水率18.5%，天然密度1.96g/cm3，天然孔隙比0.58；壓縮系數0.231MPa-1，壓縮模量7.26MPa，屬中壓縮性土；飽和快剪凝聚力24kPa、摩擦角21.8°；三軸固結不排水剪總抗剪強度為凝聚力25 kPa、摩擦角27.0°；有效抗剪強度為凝聚力23kPa、摩擦角31.5°；滲透系數為1.81×10-4cm/s。

各巖土層物理力學參數值見表1。

表1 榕江北河橋閘各巖土層物理力學參數值一覽表

右岸連接段土壩所在位置主要為一級階地，少部分位于河床區，地表第四系沖積層厚度一般18.1m～34.1m，包括（2-1）～（2-6）共六個亞層，層底高程-14.18m～-31.97m。沖積層下部為燕山三期中粗粒花崗巖，硬塑～堅硬狀，揭露全風化帶厚0.8m～24.2m，層底高程-21.48m～-47.56m；強風化帶厚0.8m～6.1m，層底高程-22.28m～-53.66m；弱風化帶厚1.1m～7.7m。

3 施工期臨時開挖岸坡穩定計算

3.1 臨時變坡穩定安全系數

該岸坡臨時開挖邊坡處于土壩工程范圍，根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）的規定，參照土壩壩坡的抗滑穩定安全系數為：

正常運用條件 [K]≥1.35

非常運用條件Ⅰ [K]≥1.25

非常運用條件Ⅱ [K]≥1.15

岸坡開挖處于施工期，所以只需要計算非常運用條件Ⅰ的工況。

3.2 岸坡臨時開挖邊坡穩定計算

(1) 計算簡圖，如圖2

(2) 計算參數

根據地質報告提供的有關參數進行計算。其中2-2、2-4、2-5土層為砂性地質，砂性地質一般因攪動，很少做剪切試驗。根據地質手冊或者巖土手冊取經驗值：天然密度取1.95 g/cm3，飽和快剪凝聚力取0，摩擦角取30。

圖2 計算簡圖

(3) 計算工況

非常運用條件Ⅰ，基坑進行強排，水位維持在-5.5m以下。

(4) 計算方法

本次計算采用河海大學滲流邊坡穩定計算7.0.7版程序Autobank進行計算。

(5) 計算結果

因為基坑進行強排，水位維持在-5.5m，岸坡不存在水位差，不進行滲流計算。

采用瑞典圓弧法計算結果為0.6，不能滿足設計要求，如圖3所示。

圖3 計算結果

(6) 結果分析

瑞典圓弧法和簡化畢肖普法均采用滑動面上抗滑力矩與滑動力矩之比和抗剪力與剪切力之比作為穩定安全系數。但是瑞典圓弧法忽略了土條間作用力的影響，使得得到的穩定安全系數一般偏低。因此，《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）中第8.3.11條中規定，采用瑞典圓弧法計算時，非常運用條件Ⅰ的抗滑穩定最小安全系數數值減小8%，即為1.15。

計算步驟：

1）作假設的滑動圓弧面；

2）將滑動面以上的土體豎直分成n個寬度相等的土條；

3）計算各土條的重力及滑動面上的法向反力和切向反力；

4）計算各土條重力在滑動面上的切向分力對圓心的滑動力矩；

5）計算各土條底面處由抗剪力所產生的抗滑力矩；

6）計算穩定安全系數：公式

（c：土條滑動面上土的粘聚力；：土條滑動面上土的內摩擦角）

從以上計算過程看，決定安全系數結果的是土層的粘聚力和摩擦角；從計算結果看，開挖后岸坡的臨時邊坡發生深層滑坡，滑弧產生于（2-3）土層；從地質情況看，（2-3）土層屬于軟弱的淤泥層，飽和快剪的試驗參數很低。

根據北河橋閘重建工程的建設范圍來看，工程屬于舊閘原址重建，基本上沒有征地，施工場地有限。沒有條件通過放緩邊坡來調節岸坡臨時邊坡的穩定安全。考慮通過打旋噴樁或者灌漿來改善滑動土層的地質參數，但是又沒有實際的依據能知道改善后的土層參數值。且新增的措施將加大工程的投資。

圖4 計算斷面

在迫不得已的情況下，只能對滑動土層的參數進行分析。也就是決定臨時邊坡穩定狀態的土的粘聚力c和內摩擦角φ。一般情況下，土樣都是從現場鉆孔采集，帶回土工實驗室進行嚴格的試驗。但是不可避免的是在取樣和運送的過程中，土樣會受到擾動，相關的試驗參數會偏低。土的粘聚力c和內摩擦角φ都是十分敏感的參數，有時候試驗結果與事實偏差很大。往往為了工程的安全，也為了工程留有安全富余，都會采用土工實驗室提供的地質參數。但是在穩定計算中，安全系數的取值已經考慮了這部分的安全富余，所以完全可以盡可能的采用更接近土樣本身性質的地質參數。

利用現有岸坡的穩定現狀，來反演推算出滑動土層的地質參數（土的粘聚力c和內摩擦角）。現有岸坡的情況是穩定的，根據穩定安全計算的結果分析，可以認為此時岸坡的穩定安全系數為1。通過假定土的粘聚力c和內摩擦角值φ，使用程序Autobank，求得一一對應的安全系數值。取最接近于安全系數1對應的粘聚力c和內摩擦角值φ，作為連接段岸坡臨時邊坡開挖斷面的地質參數。因為經計算連接段的岸坡臨時邊坡產生深度滑弧的在（2-3）土層，所以只需對（2-3）土層進行地質反演推算。

3.3 （2-3）土層地質參數的反演推算

(1)計算斷面（選取右岸距離土壩較近的岸坡斷面），如圖4。

(2) 計算參數

根據地質報告提供的有關參數進行計算。其中砂性地質天然密度采用1.95，飽和快剪凝聚力采用0，摩擦角采用30。依次選取（2-3）土層的飽和快剪凝聚力及內摩擦角，進行演算。

(3) 計算工況

按照施工期工況，干地施工，將水位維持在0.00m以下。

(4) 計算方法

根據現狀岸坡的穩定情況，模擬反演軟弱土層的地質參數。本次計算采用河海大學滲流邊坡穩定計算7.0.7版程序Autobank進行計算，依次計算各個不同凝聚力和摩擦角對應的岸坡穩定安全系數。由岸坡穩定安全系數約等于1來反演（2-3）土層的飽和快剪凝聚力及內摩擦角。

(5) 計算結果

采用瑞典圓弧法計算，如圖5所示。

(6) 結果分析

（2-3）土層的飽和快剪凝聚力及內摩擦角取值為：c=16，摩擦角=12，計算結果接近于1。計算結果如表2所示。

圖5 計算結果

表2 岸坡安全系數推算表

3.4 （2-3）土層地質參數調整后的岸坡臨時邊坡穩定計算

(1) 計算簡圖（見圖6）

適當放緩了（2-3）土層的臨時開挖邊坡，對坡腳起到壓重的作用。

圖6 計算簡圖

(2) 計算參數

根據地質報告提供的有關參數進行計算。其中砂性地質天然密度采用1.95，飽和快剪凝聚力采用0，摩擦角采用30。經過對現狀岸坡的穩定計算，反演推算出（2-3）土層的飽和快剪凝聚力采用16，摩擦角采用12。其臨時開挖邊坡采用1：3。

(3) 計算工況

非常運用條件Ⅰ，基坑進行強排，水位維持在-5.5m以下。

(4) 計算方法

本次計算采用河海大學滲流邊坡穩定計算7.0.7版程序Autobank進行計算。

(5) 計算結果

采用瑞典圓弧法計算結果為1.43，滿足設計要求，如圖7所示。

圖7 計算結果

4 結論

北河橋閘重建工程右岸連接段土壩岸坡開挖牽動著參建各方的心，因為施工場地受限，地質情況揭露存在淤泥層，對現場施工十分不利。為了使該工程能夠順利的進行，通過對現狀邊坡穩定的斷面進行反演推算。修正軟弱土層的試驗參數，并重新計算來分析連接段岸坡的臨時開挖邊坡的穩定情況。現場開挖后在1∶3開挖邊坡的平臺上追加鋼板樁支護，減少最危險滑坡從（2-3）土層出露造成的破壞。最終土壩岸坡開挖實施順利完成，為土壩及船閘施工奠定了基礎。也成功證明了在臨時邊坡開挖工程中，對滑動土層地質參數進行反演推算來分析邊坡的穩定狀態，是可行的。

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Stability Analysis of the Temporary Slope Excavation of the Sluice Connection Section

LIN Shi-ran
(Guangdong Hydropower Planning&Design Institute, Guangzhou 510635, China)

The bridge sluice reconstruction project of North River is rebuilt on the former site. Geological borehole data reveal the existence of soft soil layer, based on the stability calculation of construction period, cannot meet the requirements of the specification. The site of temporary side slope excavation is restricted on the right bank, where there is no room to take other protective measures without reinforcement conditions. The inversion calculation of geological parameters is conducted on the existing slope stability condition, and the stability of the temporary slope excavation is analyzed. The actual construction of the project is in line with the calculation results, and the project is completed on schedule. The study may serve as certain reference for temporary slope excavation project.

inversion calculation; temporary slope excavation; stability calculation

TU43

A

1672-2841（2016）02-0021-06

2016-04-28

林詩然，男，助理工程師，從事水利工程設計工作。