基于極限平衡法對淤泥質航道邊坡穩定性分析

王曉慶 中交廣州航道局有限公司

淤泥質海岸深水航道建設的關鍵問題是控制航道的邊坡穩定。海水通常以浪、流、潮等形式作用于淤泥質的航道邊坡，受到動荷載的強度和土體本身狀態的影響造成海底土體強度軟化、抗剪強度衰變，易引起有效應力的降低，可能造成航道失穩滑塌，從而改變航道幾何形狀。在實踐中一般通過鉆探定量評估邊坡穩定系數，但是由于鉆探的局限性、邊坡的不均勻性以及航道開挖后應力空間變異等導致工程后航道邊坡穩定性存在很大的不確定性。本文基于極限平衡法對航道淺地層剖面測量，分析航道邊坡穩定性，以期為航道疏浚維護、安全運營以及風險防控提供依據。

1.邊坡穩定性觀測方法

1.1 現場觀測

現場用淺地層剖面儀對航道海域進行現場走航測量，淺地層剖面儀發射與接受信號為同一換能器，通過支架將儀器固定在船舷中部一側。航道測線間距60m，換能器吃水深度為1.5m，將GPS固定在安裝桿上，與換能器的直線距離為1.6 m，淺地層剖面儀的主頻采用兩個100kHz左右的頻率，利用差頻原理形成多個低頻，利用低頻的強穿透性來探測海底淺地層剖面。

1.2 計算方法

采用Geo-Slope軟件對航道邊坡穩定性進行計算分析，該軟件以極限平衡法為基礎，本文采用Janbu法計算航道邊坡的穩定性。由于影響最終效果的主要因素是沉積層的性質和外部動力環境，根據航道空間位置，對淺地層剖面測量和航道測量邊坡統計分析，選取典型航道邊坡通過滑動面的圓心及半徑搜索最危險的滑動面進行邊坡穩定系數分析，根據邊坡穩定系數大小判別邊坡是否穩定和穩定程度。

2.觀測結果及分析

2.1 航道邊坡沉積層

航道邊坡沉積層性質對邊坡的穩定性具有決定性作用，因此分析其形成地質背景，充分認識航道邊坡沉積層垂向變化及性質就顯得非常重要。根據淺地層剖面和項目地勘資料，確定各反射層對應的地層，該港海底航道沉積物以淤泥質粉砂和粉砂質粘土為主，其次為黏土、粘土質粉砂。粘土質粉砂呈灰色，可見有水平分層，航道大部分是淤泥質粉砂，具有高壓縮性。粉砂質粘土呈棕黃色，軟塑狀態，層理不清晰，有薄的粉土和沙土，可見粉質土層和塊狀物的局部層，富含有機質，具有中等壓縮性，強度不高，是一般的軟土層。淤泥質海底航道開挖之后，由于航道邊坡沉積層受到切割，開挖面上的應力得到釋放，含水量隨之增加，邊坡的粘聚力下降、內摩擦角變小，航道邊坡的坡肩被海水水動力改變。因此對航道邊坡穩定性在統計分析的基礎上采用分段或變邊坡處理。

2.2 波流作用下航道邊坡穩定性分析

航道邊坡除受靜荷載外，還受波流的動荷載作用，海水以流、浪等運動形式作用于航道斜坡，受動荷載的強度和周期使航道沉積物內產生相應的應力和孔隙水壓力而引起有效應力降低。較強的海水動水壓力在中密到疏松的土體中，將會產生周期變化的剪應力，因而導致海底航道邊坡穩定性下降。波浪對海底沉積物的作用表現為波浪荷載產生的動水壓力和對海底沉積物的剪應力，潮流對海底沉積物表現為剪應力。波流的周期載荷還會造成土的強度和模量下降，孔隙壓力增高。表1為波流作用下該港海底航道邊坡安全系數表。

從表1可以看出施加波浪和潮流作用力后，航道邊坡安全系數降低，由于海水在滑脫面上的潤滑作用以及孔隙壓力的作用，使航道邊坡滑脫面上的摩擦力大為減小，因此，使得航道穩定性降低。航道邊坡安全系數在空間上與靜荷載下安全系數相似，外航道外段航道邊坡安全系數最大，外航道內段航道邊坡穩定性系數次之。根據該港航道海域“波浪掀沙、潮流輸沙”規律，近岸破波區內側波浪掀沙作用強、海流多為順岸往復流，與航道夾角大，波流對航道邊坡作用力強，邊坡穩定系數較小。破波區外側波浪掀沙作用弱、海流多為逆時針旋轉流，波流對航道邊坡作用力小，邊坡穩定系數較大。

2.3.航道邊坡穩定性分析

判別航道邊坡是否穩定的重要指標是穩定系數，根據極限平衡理論，海底航道邊坡失穩滑塌肯定會存在一個極限平衡狀態的滑動面，使滑體處于臨界失穩狀態，該滑動面摩擦力較小，通常為層面、沉積界面或軟弱層，如軟塑的淤泥質層。根據該港海底航道淺地層剖面探測和鉆探分析，航道存在單一均質層、淤泥層夾雜、黏土軟弱層，因此，在對航道邊坡穩定性分析時，按照均質邊坡層、淤泥軟弱層、黏土層針對其抗剪強度的控制因素粘聚力和內摩擦角利用 Geo-Slope 軟件分別計算不同邊坡、不同沉積性質以及淤泥層所選滑面的安全系數(表2)。

表2為是典型邊坡1:7、1:10、變邊坡(上層1:10，下層1:5)、變邊坡(上層1:10，下層1:7)計算的航道邊坡穩定性系數，從中可以看出，邊坡不同安全系數不同，1:10邊坡安全系數最大，變邊坡安全系數與下層邊坡坡度關系較大，下層坡角越小，邊坡越穩定。粉質粘土層安全系數大于淤泥質粘土層安全系數。從空間分布上看，外航道外段航道邊坡安全系數最大，外航道內段航道邊坡安全系數次之。這與航道邊坡沉積層性質空間分布較為一致，外航道內段航道邊坡海相沉積淤泥厚，沉積層的流塑性和強度低，外航道外段航道邊坡海相沉積淤泥厚沉積變薄，沉積物粒度粗化，航道邊坡沉積層粒度略粗，淤泥質分布不均勻。

表1 波流作用下海底航道邊坡安全系數邊坡坡度

表2 某淤泥質海底行當邊坡安全系數

4.結論

北方某港海底航道沉積層主要為河口三角洲沉積物，沉積物以淤泥質粉砂和粉砂質粘土為主，其次為粉砂質淤泥、粘土質粉砂和粘土。淤泥質海底航道開挖后，航道邊坡沉積層受到切割、航道邊坡坡肩被水動力改造，坡肩附近被沖刷后，在自重力作用以及潮流的作用下進入航道底部發生淤積，同時坡肩逐步被刷深，坡度變緩，坡階明顯。

利用 Geo-Slope軟件對該港海底航道邊坡在不同條件下的穩定系數進行了計算，航道邊坡在靜荷載和動荷載作用下基本處于穩定狀態，波流作用下航道邊坡比靜力作用下航道邊坡安全系數大大降低。