某護岸工程整體穩定性驗算分析

魏軍揚，張靜華，鄭澄鋒

(1.中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200000；2.南京水利科學研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024；3.江蘇天健工程管理咨詢有限公司，江蘇 南通 226007)

某護岸工程包括橋梁兩側沿河道兩邊各30 m范圍。護岸工程邊坡級別為三級，環境類別為Ⅰ類，堤防工程級別為三級。護岸形式采用復式護岸，臨河坡度比1∶3，斷面長度8.68 m，中間設4.94 m平臺；臨路側坡度比1∶1.5，斷面長度2.4 m。護岸類型為常規漿砌塊石護岸，由于該護岸為一生態公園建設中的部分工程，考慮到景觀要求，部分護岸也可采用生態景觀護岸砌塊形式或抗酸堿綠色生態袋護岸形式。該文根據地質勘探資料及規范要求，參考文獻[1-15]對該護岸斷面進行穩定性分析驗算，為相關工程計算提供指導和借鑒。

1 土層物理力學性質

經野外鉆探、原位測試及室內土工試驗，測得各層土的物理力學指標和原位測試數據，其中計算所需部分物理力學性質指標見表1。

表1 地基土承載力建議值

2 邊坡穩定性驗算方法

2.1 計算公式

根據GB 50286—2013《堤防工程設計規范》，該護岸穩定性驗算采用瑞典圓弧法(見圖1)。

i為土條編號；l 為單個土條的滑動面長度(m)，l=bsecθi；θi為條塊的重力線與通過該條塊底面中點半徑之間的夾角(度)；Wi為條塊重力(kN)，浸潤線以上取重度，以下取飽和重度；ci、φi為土的抗剪強度指標，分別為黏聚力、內摩擦角，采用總應力法時取總應力指標，采

2.1.1 通用方法(瑞典條分法)

瑞典條分法是條分法中最古老、簡單的方法，該方法由于忽略了條間力的作用，不能滿足所有靜力平衡條件，計算所得安全系數一般比其他較嚴格的計算方法所得安全系數低。出于對工程邊坡穩定安全的保守考量，中國規范建議土坡穩定性分析采用該方法。該方法適用于使用工況和施工工況。計算公式如下：

(1)

式中：K為由整個滑體剩余下滑力計算的安全系數。

2.1.2 通用方法(瑞典條分法)考慮地震作用

該方法適用于地震工況。依據JTG B02—2013《公路工程抗震規范》，該工程建筑場地類別為Ⅲ類，抗震設防烈度為Ⅶ度，可不用考慮豎向地震作用，只需考慮水平向地震作用。水平地震力為：

Esi=CiCzKhφiWWi

(2)

式中：Esi為作用于第i個土條的水平地震力(kN)；Ci為重要性修正系數；Cz為綜合影響系數，一般取0.25；Kh為水平地震系數，取0.1；φiW為水平地震荷載沿墻高的分布系數，該工程水平加速度類型為矩形，φiW取1.0；Wi為第i個土條的重力(kN)，有地下水時包括地下水的重力。

（1）完善科技人才評價體系。探索人才評價標準的多樣化和個性化，根據人才工作性質和從事崗位進行分類評價，對應用技術研究人才、科技成果轉化人才以及科技創新服務人才進行分類評價，完善相應的評價指標體系，改善以往簡單量化評價科技人才產出的做法。

水平地震力對抗滑力的貢獻(分子)為：

ΔTi=-Esisinθitgφi

(3)

式中：ΔT為水平地震力對滑弧的抗滑作用(kN)，作用方向為滑動反方向。

水平地震力(作用于土條質心處)對下滑力的貢獻(分母)為：

(4)

(5)

式中：ΔP為水平地震力對滑弧的下滑作用(kN)，作用方向為滑動方向；Mc為地震力矩(kN·m)；R為滑弧半徑；yc為圓心的y坐標(m)；yE為地震力作用位置的y坐標(m)。

該工程在水平地震作用下的安全穩定系數為：

(6)

2.2 計算說明

邊坡整體穩定性計算方法采用瑞典條分法，選擇所有護岸類型進行驗算。使用工況和地震工況，按圓弧滑動面計算。根據地質資料，河道兩岸地層起伏較平緩，選擇一個最不利地質斷面進行計算；坡頂超載按5 kN/m計算。假設坡腳標高為零，各工況組合標高見表2。

表2 工況組合

3 護岸邊坡穩定性驗算過程

3.1 施工工況驗算

施工工況下穩定性驗算計算模型見圖2。

圖2 施工工況計算模型(單位：m)

采用通用方法即瑞典條分法，滑裂面形狀采用圓弧滑動法，暫時不考慮振動作用。計算目標為安全系數，指定圓心范圍搜索最危險滑裂面。坡面信息見表3，土層信息見表4。水面信息采用總應力法，考慮滲透力作用，不考慮邊坡外側靜水壓力。土條重切向分力與滑動方向反向時，當下滑力對待；條分法的土條寬度為 0.5 m；搜索范圍最小為X=0.0 m、Y=5.0 m，最大為X=12.0 m、Y=20.0 m；搜索時圓心步長為0.5 m，半徑步長為0.5 m。以坡腳處為坐標原點(X=0，Y=0)。

表3 坡面信息

表4 土層信息

根據式(1)計算，施工工況下邊坡穩定安全系數K=686.357/404.848=1.695。

若以計算模型坡腳為原點，最不利滑動面滑動圓心坐標為 (6.50 m，12.26 m)，滑動半徑=15.161 m。根據GB 50286—2013，施工工況下允許最小安全系數為1.10，而計算結果為1.695，該工程施工工況下穩定性滿足要求。

3.2 使用工況驗算

使用工況計算模型、控制參數、坡面信息、土層信息、水面信息、計算條件等與施工工況相似，驗算過程也基本相同。使用工況下邊坡穩定安全系數K=661.887/329.769=2.007。若以計算模型坡腳為原點，最不利滑動面滑動圓心坐標為 (7.38 m，14.26 m)，滑動半徑=16.634 m。根據GB 50286—2013，使用工況下允許最小安全系數為1.20，而計算結果為2.007，該工程使用工況下穩定性滿足要求。

3.3 地震工況驗算

地震工況計算模型、控制參數、坡面信息、土層信息、水面信息、計算條件等與施工工況相似，主要區別為考慮地震作用。地震烈度7 度，水平地震系數 0.100，地震作用綜合系數 0.250，地震作用重要性系數1.000，地震力作用位置為質心處，水平加速度分布類型為矩形。驗算過程與施工工況基本相同。根據式(6)，地震工況下邊坡穩定安全系數K=666.489/349.448=1.907。若以計算模型坡腳為原點，最不利滑動面滑動圓心坐標為 (7.14 m，14.36 m)，滑動半徑=16.821 m。根據GB 50286—2013，地震工況下允許最小安全系數為1.05，而計算結果為1.907，該工程地震工況下穩定性滿足要求。

各工況下該工程穩定性驗算結果見表5。

表5 河道邊坡整體穩定性計算結果

4 結論

(1)按照設計斷面的放坡坡率進行護岸，施工工況、使用工況、地震工況下護岸的整體穩定性系數均滿足規范要求。

(2)安全系數使用工況大于地震工況，地震工況大于施工工況，施工中需加強護岸擋墻等構筑物的抗滑能力，如在一些擋墻下部增設抗滑凸隼，甚至可增設方樁等，以增強護岸的穩定性。在保證護岸穩定性的前提下，加強臨河護岸的防沖刷性能。建議護岸類型除采用常規漿砌塊石護岸外，也可采用生態景觀護岸砌塊形式或抗酸堿綠色生態袋護岸形式，以獲得更好的生態景觀效果。