基于M-P 土條分割法的某海岸帶瀉湖邊坡力學(xué)特性研究

李濤龍

（深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司,廣東 深圳 518000）

1 前言

海岸帶瀉湖由于海水的漲潮和落潮現(xiàn)象逐漸演化形成,瀉湖內(nèi)由于水位相對穩(wěn)定,常是許多生物的繁衍棲息地,瀉湖邊坡的穩(wěn)定性對海洋生物的演化,以及海岸景觀都具有重要影響。許多學(xué)者對瀉湖邊坡的穩(wěn)定特征進行了研究。肖詩榮等[1]通過對比方法研究了水庫下游河道侵蝕下切速度的變化特征。研究結(jié)果表明：水庫的清水下泄加劇了下游河道侵蝕下切速度。李硯青等[2-3]針對高陡黃土岸坡在水庫蓄水后常出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象進行了研究。研究結(jié)果表明：控制開挖邊坡坡率能夠有效提高該類邊坡的安全系數(shù)。梁為邦等[4]采用“兩段法”預(yù)測水庫庫岸坍岸可能區(qū)域范圍。研究結(jié)果表明：該方法能夠為涉及臨界生活區(qū)域的水庫庫岸坍岸預(yù)測提供可靠結(jié)果。姜澤宇等[5]運用多波束測深系統(tǒng)對橫沙島北側(cè)岸坡沖刷特征進行了相關(guān)研究。研究結(jié)果表明：近岸沖刷坑構(gòu)成了橫沙北側(cè)岸坡特征性地貌,且有長期演化存在的趨勢。

綜合以上對當(dāng)前大量學(xué)者對臨水岸坡的研究,可知：大多學(xué)者對臨水岸坡的失穩(wěn)機制進行了廣泛研究,采用了監(jiān)測、地質(zhì)條件分析、物理模型試驗、數(shù)值模擬等多種方法,而對臨海地區(qū)海岸帶廣泛發(fā)育的瀉湖地貌景觀的關(guān)注度則較低。為了對海岸帶瀉湖岸坡的穩(wěn)定特征進行分析研究,本文結(jié)合廣東省海岸帶瀉湖岸坡工程實踐,采用Geo-slope 軟件中的M-P 分析方法對其進行實體建模分析,通過分析臨界滑帶巖土體與下部巖土體的相互作用,以及臨界滑帶中各條塊的提供的單寬滑移力變化,和其滑塊受力計算過程,得出該類邊坡的穩(wěn)定性特征。

2 工程概況

本文以廣東省海岸帶瀉湖岸坡工程實踐為例,邊坡坡高15 m,邊坡共有四層巖土體組成,自上而下分別為人工雜填土、粉質(zhì)黏土、粉砂和沉積砂巖層,各層厚度分別為3 m、4 m、5 m、3 m,其中,邊坡共分四級邊坡坡度,從左至右各級坡度分別為2.3°、15°、37°、48°。邊坡各層巖土體的工程力學(xué)特性見表1。

表1 地層物理參數(shù)

3 模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)上述表1 中所示的各層巖土體材料特性,選取摩爾庫倫模型進行材料設(shè)置,按照實際邊坡體進行模型構(gòu)建,并根據(jù)各層巖土體厚度進行區(qū)域劃分,將已設(shè)置好的各層巖土體材料賦值給劃分好的邊坡各層巖土區(qū)域,同時進行水位線設(shè)置,構(gòu)建的計算分析用邊坡模型見圖1,邊坡體右側(cè)和下部采用全約束。

圖1 海岸帶瀉湖邊坡模型

4 模擬計算結(jié)果分析

為了分析邊坡體臨界滑面上滑體與下部基巖體之間的相關(guān)作用關(guān)系,分別將計算結(jié)果中的滑體滑移力和滑體與基巖面相互間的作用力數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

圖2 為單寬土條滑移力隨X 值不斷增大的變化特征,在X=0～6 m 區(qū)間內(nèi),單寬土條滑移力由20 kN/m,近似直線增大至最大值140 kN/m,在X=6 m～8 m 區(qū)間內(nèi),單寬土條滑移力由140 kN/m,近似直線減小至120 kN/m,隨后呈拋物線抬升小段距離又接拋物線型逐漸減小變化趨勢,減小至X=22 m 處的7 kN/m,大于100 kN/M 的單寬土條滑移力處于區(qū)間X=4 m～14 m內(nèi)。即土條滑移力在X=4 m～14 m 范圍內(nèi)提供了較大的下滑作用力。

圖2 土條滑移力變化

為了分析邊坡體臨界滑面上滑體與下部基巖體之間的相關(guān)作用關(guān)系,繪制了如圖3 所示的土條與基底法向力隨X 值自左向右不斷增大的變化特征。

圖3 土條與基底法向力變化

如圖3 所示的土條與基底法向力隨著X 值不斷增大的變化特征,在X=0～6 m 區(qū)間內(nèi),土條與基底法向力隨著X 值不斷增大由-10 kPa,近似直線增大至100 kPa,在X=6 m～8 m 區(qū)間內(nèi),土條與基底法向力隨著X 值不斷增大由100 kPa,近似直線減小至90 kPa,隨后呈拋物線抬升小段距離有接拋物線型逐漸增大至X=13.5 m 位置處的最大值113 kPa,又呈拋物線減小變化趨勢,減小至X=22 m 處的15 kPa,大于80 kPa 的土條與基底法向力處于區(qū)間X=5 m～18 m 內(nèi)。即土條與基底在X=5 m～18 m 范圍內(nèi)提供了較大的抗滑作用力。

為了分析孔隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響,繪制了如圖4 所示的巖土體內(nèi)的孔隙水壓力隨X 值自左向右不斷增大的變化特征。

圖4 孔隙水壓力隨X 值變化圖

如圖4 所示的孔隙水壓力隨著X 值不斷增大的變化特征,在X=0～2 m 區(qū)間內(nèi),孔隙水壓力隨著X 值不斷增大由-100 kPa呈拋物線型增大至X=15 處的最大值0 kPa 又呈拋物線型減小至X=22 m 位置處的-10 kPa,在X=8 m～22 m 區(qū)間內(nèi),孔隙水壓力位于-20 kPa～0 kPa范圍內(nèi),該段土體受蓄水影響較小。

為了對M-P 方法的力學(xué)計算原理的合理性進行分析,繪制了如圖5 所示的條塊1 的M-P 計算方法簡圖。

圖5 條塊1 的M-P 方法的計算示意

如圖5 所示的條塊1 的M-P 方法的計算力學(xué)圖,由圖可見,該方法滿足力的平衡條件,計算過程中主要考慮土條自重（條塊1 為9.19 kN）,條塊與條塊間的法向力（條塊1 左側(cè)為15.14 kN、右側(cè)為19.35 kN）,條塊與條塊間的相互作用剪力（條塊1 左側(cè)為15.54 kN、右側(cè)為0.63 kN）,由右側(cè)條塊所受力的閉合特征可知,M-P 計算方式滿足力矩平衡。

為了進一步驗證上述對M-P 方法的力學(xué)計算原理的分析,繪制了如圖6 所示的條塊9 的M-P 計算方法簡圖。

圖6 條塊9 的M-P 方法的計算示意

如圖6 所示的條塊9 的M-P 方法的計算力學(xué)圖,由圖可見,該方法滿足力的平衡條件,計算過程中主要考慮土條自重（條塊1 為93.45 kN）,條塊與條塊間的法向力（條塊9 左側(cè)為190.7 kN、右側(cè)為219.79 kN）,條塊與條塊間的相互作用剪力（條塊9 左側(cè)為49.81 kN、右側(cè)為62.82 kN）,條塊與基底間的相互作用的法向力和剪力（法向力為81.89 kN、右側(cè)為24.73 kN）,由右側(cè)條塊所受力的閉合特征可知,M-P 計算方式滿足力矩平衡。同樣得出與條塊1 分析相同的結(jié)論。說明M-P 方法的合理性和計算結(jié)果的可靠性。

對軟件通過M-P 方法試算滑面從而確定該邊坡最不利的臨界滑面的計算過程進行示意,如圖7～圖10 所示的第100、129、245 和18 號滑面的安全系數(shù),表2 根據(jù)試算滑面的安全系數(shù)大小排列,給出了部分試算滑面的幾何信息。

圖7 第100 滑面試算滑帶及安全系數(shù)

表2 部分試算滑帶詳細參數(shù)

由圖7 第100 試算滑面安全系數(shù)為1.769,大于1,軟件將按照材料屬性設(shè)置和坡型特征進行后續(xù)試算滑面安全系數(shù)計算并與先前試算滑面進行比較,確定最不利的臨界滑面及其最小安全系數(shù)。

由圖8 第129 試算滑面安全系數(shù)為2.072,大于1,軟件將按照材料屬性設(shè)置和坡型特征進行后續(xù)試算滑面安全系數(shù)計算并與先前試算滑面進行比較,確定最不利的臨界滑面及其最小安全系數(shù)。

由圖9 第245 試算滑面安全系數(shù)為2.041,大于1,軟件將按照材料屬性設(shè)置和坡型特征進行后續(xù)試算滑面安全系數(shù)計算并與先前試算滑面進行比較,確定最不利的臨界滑面及其最小安全系數(shù)。

圖9 第245 號滑面試算滑帶及安全系數(shù)

計算至最后,確定圖10 第18 試算滑面為最不利的臨界滑面,安全系數(shù)為1.56,大于1,說明該瀉湖邊坡是安全的。

圖10 最小安全系數(shù)滑面

由表2 可知：不同試算滑面的圓心位置不同,半徑差別顯著,所計算的安全系數(shù)各異,該方法對整個邊坡體所有可能發(fā)生滑動區(qū)域均進行了條分后的安全系數(shù)大小計算,因此所得結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

本文以廣東省臨海瀉湖邊坡工程為例,采用Geo-slope軟件對其安全特性進行了分析研究,得到如下結(jié)論：

（1）單寬土條滑移力最大值為140 kN/m,土條滑移力在X=4～14 范圍內(nèi)提供了較大的下滑作用力。

（2）土條與基底法向力最大值113 kPa,土條與基底相互作用力在X=5～18 范圍內(nèi)提供了較大的抗滑作用力。

（3）該瀉湖邊坡在當(dāng)前瀉湖水位條件下的邊坡臨界滑面的最小安全系數(shù)為1.56,是安全的。

本文采用的M-P 條分法和所得結(jié)果可靠,可為類似工程地質(zhì)條件下的邊坡工程穩(wěn)定特征分析提供可靠借鑒。