河道開挖卸荷對堤岸變形破壞影響分析

王 琦

（遼陽市防汛抗旱河務服務中心，遼寧 遼陽 111000）

1 概述

在天然河流中經常發生沖刷和淤積現象，容易發生水害，妨礙水利發展。為適應除患興利要求，必須采取適當措施對河道進行整治，包括治導、疏浚和護岸等工程[1]。然而，一河岸工程在施工過程中由于未開展有效的穩定性評價，尤其是河道土方開挖工程，造成堤岸存在或出現明顯的破壞變形趨勢，為河堤工程的后期安全運行埋下隱患，同時也造成一定經濟損失[2]。因此分析河道開挖工程中岸坡的穩定性是河道洪水期與枯水期安全運行的關鍵問題[3]。

目前，國內外通常采用數值模擬的方法來分析河道工程在施工過程中的變形破壞，其常用的數值理論包括有限元法、有限差分法、離散元法[4-10]等。文中所采用的ABAQUS軟件有著成熟的理論基礎，當中包含多種類型的材料模型庫，可以模擬土壤與巖石等地質材料的應力應變以及位移變形分析，同時還能對材料損傷破壞進行二次開發模擬，因此被廣泛用于土方開挖工程[11]。

以某河道土方開挖工程為例，采用ABAQUS建立了2維河道開挖模型，在有限元方法基礎上采用強度折減法，采用M-C模型分析了河道卸荷過程坡體的塑性應變、位移以及安全系數，并根據數值結果提出了相關加固措施。研究結果可為相關工程分析提供參考。

2 模型建立與計算參數

本次河道土方開挖長度5.3 km，地貌為河谷平原地區，現根據工程設計，在開挖時按兩次不同坡比進行放坡，第一臺階坡比按照1∶1.5的比例進行放坡，留平臺6.7 m寬，第二次開挖則按照1∶2的坡比進行放坡，開挖后左右兩岸坡底距離為20 m。此次土方開挖深度15.24 m，在第一次放坡后，分別按照單次1.28 m的深度逐步開挖，一共開挖8步。經現場勘查，整個地基材料可分為4層，從上往下依次為灰黏土、黏土1、黏土2、粉質黏土。此外，計算模型簡化為平面應變模型，采用M-C屈服理論，土的最大主應力取1 kPa，損傷位移取0.02 mm。圖1為本次概化模型尺寸，表1為本次計算力學參數。

表1 模型計算力學參數

圖1 河道開挖橫河斷面

3 數值結果分析

3.1 卸荷過程坡體變形分析

圖2為不同開挖步數下，模型的塑性應變云圖。如圖2所示，在第一次卸荷后，河道底部的塑性應變最大且范圍最廣，這是由于河道底端土體的自重應力最大，而應力歷史對土體力學性質有著至關重要的作用，固結壓力最大，應力路徑的影響程度就越大，因此，埋深越深，卸荷后河道底部的變形就越明顯。此外還可看到，在第一次卸荷后，淤泥質土和亞黏土兩端的接觸面也產生了一定范圍的塑性應變，但此時第一次放坡形成的堤岸并未發生明顯的塑性變形。第一次放坡結束后，繼續按照第二次放坡的工程設計進行開挖，即圖2中的step2，此時與第一次放坡相比，卸荷后只存在河道粉黏土地基兩端的塑性應變有小范圍的擴大。而當開挖到step3時，第一次放坡形成的邊坡坡角附近開始出現塑性變形區域，而土體其余部分維持著與之前相似的變形范圍，一直持續到step6。而當工程開挖到step7時，第二次開挖所形成的邊坡坡角開始出現塑性破壞，且破壞范圍隨著開挖的深度而逐漸擴大。當開挖到設計高度后，其坡角的塑變破壞范圍約為臨空面長度的1/3。從整個開挖過程來看，卸荷對岸坡的影響存在臨界值。為防治邊坡的滑動變形，當卸荷深度為7.6 m時，應當對第一次放坡形成的邊坡進行抗滑樁或土釘加固，而當卸荷深度為11.4 m時候，應當對第二次放坡所形成的邊坡采取加固措施。

圖2 不同開挖步數下模型的塑性應變云圖

3.2 卸荷過程中坡體位移分析

為分析河道在卸荷過程中，河道水平位移的變化情況，將不同開挖步數下的河道位移云圖進行輸出，如圖3所示。在第一次放坡結束后，在河道的亞黏土層產生了較大的向右的水平位移，而此時堤頂部分范圍產生了負位移，說明岸坡有向右滑動趨勢。當第二次放坡，繼續開挖至位移變形較大處時（step5），此時第二次開挖所形成的邊坡坡角具有較大的水平位移，但隨著開挖深度的逐漸增加，河道左岸正水平位移的數值較大的范圍逐漸減少。

圖3 不同開挖步數下的河道位移云圖

從圖3可明顯看到，開挖結束后，河道迎水面的水平位移最大，為進一步分析定量分析迎水面的水平位移變化趨勢，考慮到左右岸的對稱性，將左岸迎水面坡頂至坡角的節點位移輸出，如圖4所示，坡頂產生了負的水平位移，有向左滑動趨勢，約為4.5 mm，但隨著與坡頂點相對距離的增大，坡面開始逐漸向右移動，當相對距離為8.4 m時，水平位移達到最大，達到了14.7 mm，之后又逐漸減小。因此從迎水面的水平位移變化趨勢可知，在距離二級邊坡頂點的8.4 m處，應為岸坡潛在滑動面剪出口，因此，在開挖到這一步之前，應當采取適當的支擋結構進行加固，防治滑動。

圖4 迎水面水平位移變化趨勢

為同時分析整個開挖時呈內一級岸坡與二級岸坡的位移變化情況，將各自的頂點作為特征節點，將其水平位移進行輸出，如圖5所示。圖5中，監測點1為一級邊坡頂點，監測點2為二級邊坡頂點。隨著開挖的進行，兩級邊坡的頂點都產生了向左的水平位移，其中一級邊坡水平位移當開挖到第2步時，出現拐點，此時變化速率達到最大，之后隨著開挖的進行變化趨勢逐漸放緩，說明開挖第2步之后，二級邊坡的開挖對一級邊坡的影響較小。而監測點2則在開挖到第6步時達到最大，其實這與圖4中第8步坡角水平位移達到最大值的結論并不沖突，說明只監測坡頂位移的變化，雖有一定參考價值，但由于復合土層的物理參數各異，其結果并不能完全確定邊坡的破壞趨勢，還應該綜合邊坡內部其他點的變化情況來加以判斷。

圖5 監測點位移與開挖步數關系

3.3 卸荷過程坡體安全系數分析

為分析不同開挖步數結束后岸坡的穩定性系數，本次計算采用的是軟件重啟動技術，先將開挖后岸坡變形計算結果保存之后，在model-editatrributes選擇重啟動所需要的源文件。完成上述步驟之后，再制定讀入數據的時間，并選擇結束時間，此時就可對不同開挖步數結束后所形成的岸坡的穩定性系數進行分析。圖6給出了開挖步數與岸坡安全系數關系。如圖6所示，隨著開挖深度的增加，邊坡的安全系數逐漸減小，其中第一次放坡結束后，邊坡安全系數為1.3，而第二次放坡結束后，穩定性系數降低為0.61。圖7給出了本次河道施工結束后邊坡的潛在滑動面（由于對稱只畫出河道左岸）。圖7中貫通面通過了一級與二級岸坡坡體，其潛在剪出口距離最終設計高程1.28 m左右。

圖6 開挖步數與岸坡安全系數關系

圖7 開挖結束后邊坡滑動面

4 結論

文中采用ABAQUS建立了2維河道開挖模型，在有限元方法基礎上采用強度折減法，采用M-C模型分析了河道卸荷過程坡體的塑性應變、位移以及安全系數，主要得到了以下結果：

（1）應力歷史對土體力學性質有著至關重要的作用，在第一次卸荷后，河道底部的塑性應變最大且范圍最廣，固結壓力最大，應力路徑的影響程度就越大。

（2）在第一次放坡結束后，在河道的亞黏土層產生了較大的向右的水平位移。第二次開挖所形成的邊坡坡角具有較大的水平位移，但隨著開挖深度的逐漸增加，河道左岸正水平位移的數值較大的范圍逐漸減少。

（3）隨著開挖深度的增加，邊坡的安全系數逐漸減小，其中第一次放坡結束后，邊坡安全系數為1.3，而第二次放坡結束后，穩定性系數降低為0.61。