地層結構效應對沿海航道岸坡穩定性影響分析

沈達博

（舟山市港航管理局，浙江舟山 316000）

地層結構效應對沿海航道岸坡穩定性影響分析

沈達博

（舟山市港航管理局，浙江舟山 316000）

地層結構效應對于邊坡穩定性研究意義重大。本文對舟山某航道邊坡進行數值模擬，對均質土體邊坡和不同地層結構邊坡利用ABAQUS軟件計算安全系數，通過位移和塑性貫通區位置進行對比穩定性，對不同地層結構邊坡分別考慮在重力、水流力作用下岸坡穩定性情況并進行對比。結果表明：在安全系數、位移和塑性貫通區方面，不同地層結構邊坡強于均質土體邊坡；水流力作用致使安全系數大于自重情況下，不同地層結構效應對岸坡穩定性的研究是必要的，也便于在工程中應用推廣。

地層結構效應；沿海航道；岸坡穩定性；ABAQUS

在國際遠洋貿易中，水路運輸因其載運量大、成本低而作為貨物運輸首選，隨著“一帶一路”發展戰略的實施，國家大力發展海洋經濟，水運日漸興盛。航道是水路運輸必不可少的組成部分，但載運量隨著貿易額逐年增加，導致船舶大型化，對航道水深有著嚴格的要求，航道的逐年疏浚對岸坡土體穩定性影響極大，前人學者對岸坡穩定性展開了大量的相關研究，有相當豐富的試驗數據和理論積累。劉濤等[1]在波流共同作用下的航道邊坡穩定性研究中，以港口外存在攔門沙的深水航道為研究對象，利用斷面物理模型試驗研究在波流作用下推移質運動對航道岸坡穩定性的影響，分析邊坡開挖中的設計條件；仲南艷等[2]在航道護岸工程中基槽邊坡穩定研究中，基于極限平衡原理，對某航道邊坡開挖時的穩定性利用Fellenius法和Bishop法進行驗算，得出了在滲流與超載作用下的安全系數變化規律以及最大載荷，并提出相應的治理措施；程曦等[3]在基于ABAQUS的內河航道岸坡穩定性分析中，利用ABAQUS軟件對某航道邊坡進行數值模擬，并考慮在穩定滲流、波浪力以及共同作用下對邊坡土體穩定性的影響，并將安全系數計算結果與Morgenstern-Price法進行對比，驗證準確性；張曉詠等[4]在應用ABAQUS程序進行滲流作用下邊坡穩定分析中，利用ABAQUS軟件對邊坡進行滲流場與應力場耦合作用下的穩定性分析，得到浸潤面與滑動面的準確位置，并將計算結果與瑞典條分法和簡化Bishop法進行對比，發現計算結果更為準確；周家文等[5]在降雨入滲條件下邊坡的穩定性分析中，對降雨情況下，滲流作用對邊坡穩定性的影響，發現了隨著降雨入滲的作用，邊坡安全系數隨之變化的規律。

本文利用有限元軟件ABAQUS對大陸引水三期工程某航道基槽岸坡進行數值模擬，分別對均質土體和不同地層結構進行計算，對比分析地層結構對岸坡穩定性的影響，隨之對不同地層結構邊坡在自重與水流力作用下進行研究，對比分析在外荷載作用下對于不同土層結構岸坡的穩定性影響，以期為舟山市大陸引水工程的安全提供基礎依據。

地層結構效應[6-7]指土體往往是由不同時期不同特性的土層在地質作用等情況下形成的分層結構，對工程的受力特點、穩定性以及經濟性有巨大影響，如樁基持力層的選取，樁基深入土層的合理性與土體材料特性有很大關系，樁基所處的土體結構不同，所引起的內力變化和變形也會不同，但也可人為改變土層結構（地基處理）以滿足工程建設需要。

1 工程實例

舟山市大陸引水三期工程地跨寧波市、舟山本島兩地，從新泓口圍墾工程東順堤外下海后，位于二期海底管道北側，并與之平行延伸，距二期北線和南線管道分別為50 m和100 m，距一期管道150 m，沿東北方向穿過灰鱉洋，至西堠山西北。出海口位置選在馬目山西北桃花涂外海堤處，接入黃金灣調節水庫，再輸配水至本島主要水廠及周邊主要島嶼。該工程作業航道的規模為5×104t級雙向通航，規劃水深為15 m，現狀水深為12 m。對其三期輸水管道管頂的埋設深度要求為至少在航道底標高以下3 m的位置，也就是相對現狀海床面，管道管頂埋深至少距海床面6 m，即管底位置的埋設深度至少為7.228 m。工程采用預挖溝疏浚方案，通過大開挖的方式，預先挖出滿足深度要求的管溝，然后再鋪設管道并回填的方式。航道跨越段示意圖見圖1。

圖1 航道跨越段管道下臥示意圖Fig.1 Channel cross section of the pipeline by the diagram

岸坡土體中粉質粘土深度為13 m，淤泥質粉質粘土深度為2 m，粘土深度達到5 m。尺寸如圖2所示。本文利用ABAQUS軟件對航道邊坡進行二維建模[8-9]，本構模型采用Mohr-Coulomb準則，對于不同地層結構邊坡共有648個節點，593個單元，單元類型為CPE4四邊形四節點平面應變單元；均質土體邊坡有569個節點，516個單元，單元類型同為CPE4單元。網格劃分如圖3所示。

限制岸坡土體左右兩側水平位移，限制土體底部水平與豎向位移，對岸坡分別施加重力與水流力，水流力假設為正常水位4m。岸坡土體分為粉質粘土、淤泥質粉質粘土及粘土，土體材料特性見表1。

圖2 岸坡尺寸Fig.2 Size of slope

圖3 網格劃分Fig.3 Mesh generation

2 結果分析

2.1 地層結構的影響

在只考慮重力作用情況下，對均質土體岸坡與不同地層結構岸坡的穩定性進行對比。從圖4可知，均質岸坡與不同地層結構岸坡的FV1隨U1的變化關系曲線大致相似，但以變化曲線拐點作為安全系數評價標準可知，不同地層結構安全系數為1.538，均質岸坡為1.472，差值達到0.066；而且不同地層結構計算到0.707時數據無法收斂，土體發生失穩現象，均質岸坡計算到0.663時數據發散，土體失穩。

圖4 FV1隨U1變化關系Fig.4 FV1 change with U1

由圖5可知，均質岸坡塑性區位置與不同地層結構岸坡不同，前者出現在坡腳與坡頂處，位置偏上，后者出現在坡底與坡頂處，位置偏下，前者塑性區域范圍小于前者，但塑性程度遠大于后者，塑性最大程度區域出現在坡腳處，后者出現在淤泥質粉質粘土層底部。

從圖6中可知，均質岸坡滑動面位置高于不同地層結構岸坡，前者只限于坡腳以上土體，后者在淤泥質粉質粘土以上土體均出現滑移現象，但前者滑移最大數值達到3.562 mm，后者最大滑移數值為11.69 mm，前者最大滑移出現范圍明顯大于后者。

圖5 計算終止時塑性區Fig.5 Calculated at the end of the plastic zone

圖6 位移云圖Fig.6 Displacement nephogram

2.2重力與水流力的影響

通過軟件分別對在重力作用、水流力作用下的不同地層結構岸坡進行數值模擬計算，將FV1隨U1變化關系曲線中的拐點作為安全系數評價標準，兩者曲線相似，在重力作用下，土體安全系數為1.537 78，在水流力作用下，土體安全系數為1.538 23，后者略大于前者。以軟件計算結果發散時對應的FV1下，后者U1大于前者。

沿海航道中岸坡土體穩定性受水流力影響較重力作用較大，對于沿海航道穩定性研究時需考慮水流力作用。

圖7 FV1隨U1變化關系Fig.7 FV1 change with U1

3 結語

通過對有限元軟件模擬結果的分析，得出以下結論：

（1）不同地層結構對航道岸坡的穩定性影響不容忽視，在塑性區貫通區域和滑動面出現時刻以及波及范圍都超過均質土坡，但安全系數卻高于后者，在工程建設中需要引起注意，避免滑坡等地質災害的發生。

（2）分別在重力、水流力作用下的不同地層結構航道岸坡，在以變化曲線拐點作為評價標準時的安全系數，水流力作用對安全系數影響較大于重力作用。

（3）只考慮重力、水流力對不同地層結構航道岸坡的作用，存在一定的局限性，應該進行滲流場與應力場耦合，綜合考慮在岸坡使用期下出現的外荷載影響，結果會更為準確與合理。

[1]劉 濤,陳國平.波流共同作用下的航道邊坡穩定性研究[J].水運工程,2014(9):103-108.

[2]仲南艷,殷曉明,王 斐.航道護岸工程中基槽邊坡穩定研究[J].水運工程,2007(11):80-86.

[3]程 曦,王元戰,馬殿光,等.基于ABAQUS的內河航道岸坡穩定性分析[J].水道港口,2012,33(2):152-158.

[4]張曉詠,戴自航.應用ABAQUS程序進行滲流作用下邊坡穩定分析[J].巖石力學與工程學報,2010,29(增刊):2 927-2 934.

[5]周家文,徐衛亞,鄧俊曄,等.降雨入滲條件下邊坡的穩定性分析[J].水利學報,2008,39(9):1 066-1 073.

[6]蔣建平,黃智勤.巖土工程中的地層結構效應理論探討[J].科技資訊,2011(12):46-47.

[7]蔣建平,劉文白.巖土工程地層結構效應與層組參數[M].北京：人民交通出版社,2011.

[8]費 康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[9]史旦達,鄧益兵,蔣建平,等.ABAQUS軟件的工程應用實例集[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2015.

Analysis of Waterway Slope Stability in Stratigraphic Structure Effect

SHEN Da-bo
（Port and Shipping Administration of Zhoushan,Zhoushan 316000,China)

Researched stratigraphic structure effect has great significance of slope stability.In this paper,take numerical simulation to channel slope in Zhoushan,calculated safety coefficient for homogeneous soil slope and slope of different stratigraphic structure through the ABAQUS software,compare the stability by displacement and the location of plastic transfixion area,the stability of different stratigraphic structure slope and result in the effect of gravity and hydraulic pressure considered respectively.Results indicated:in the coefficient,displacement and plastic transfixion area,different stratigraphic structure slope be better than homogeneous soil slope;in the coefficient,hydraulic pressure is better than gravity.It’s essential to research the different stratigraphic structure of the stability of slope,also facilitate promotion in engineering application.

stratigraphic structure effect;coastal waterway;the stability of slope;ABAQUS

U656.3

：A

2016-11-20

沈達博（1984-），男，浙江嵊泗人，工程師，研究方向：港口與航道工程.

1008－830X(2017)01－0077－04