軟土區(qū)黃河故道疏浚工程岸坡穩(wěn)定性分析

張麗媛　郭連峰　王赟

摘要：河流流經(jīng)沖積淤泥形成的軟土地區(qū)容易發(fā)生淤積，需要進(jìn)行河道疏浚。為了分析疏浚工程施工對河岸邊坡的影響，以蘇北沿海平原地區(qū)和響坎河為研究對象，分析了軟土地質(zhì)條件下黃河故道疏浚治理中沿岸邊坡的穩(wěn)定性，并對干法施工和帶水施工兩種方式進(jìn)行對比。在綜合考慮河道特征、功能定位以及地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用框格混凝土植草護(hù)坡方案對經(jīng)流黃河故道的河道兩岸進(jìn)行生態(tài)防護(hù)。結(jié)果表明：采用干法施工易造成岸坡失穩(wěn)，且抗滑安全系數(shù)低于規(guī)范要求值，宜采用帶水施工方式。防護(hù)后的邊坡抗傾覆穩(wěn)定性和整體安全系數(shù)均滿足要求，安全系數(shù)提高顯著。

關(guān)鍵詞：疏浚工程； 邊坡穩(wěn)定性； 邊坡加固； 生態(tài)防護(hù)； 軟土地區(qū);黃河故道

中圖法分類號：TV851

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.004

文章編號：1006-0081（2023）12-0025-06

0引言

有泥沙覆蓋的黃淮沖積淤層形成以沙土和泥沙為主的土層，極易造成水土流失，因此該地質(zhì)條件下的河流常發(fā)生河道淤積［1-2］。河道淤積會造成水閘沖刷嚴(yán)重、河道排澇標(biāo)準(zhǔn)不能滿足需求；河道淤積抬高河床、縮窄河口寬度，影響灌區(qū)引水灌溉［3］。河道疏?？梢蕴岣邊^(qū)域排澇能力、提高區(qū)域灌溉引水能力、優(yōu)化水資源配置和改善河流水生態(tài)［4-5］。

前人對河道岸坡穩(wěn)定性的影響因素和土力學(xué)理論進(jìn)行了研究。Athanasios等［6］和舒安平等［7］研究了彎道水流對河床岸灘侵蝕的發(fā)展過程及其影響。張幸農(nóng)等［8］在總結(jié)長江中下游河道邊坡失穩(wěn)影響因素的基礎(chǔ)上，歸納發(fā)現(xiàn)長江中下游河段4/5的岸坡失穩(wěn)都發(fā)生在受水流劇烈沖刷的河道迎流頂沖點(diǎn)和凹岸彎頂區(qū)域，明確指出土體組成、潛水位及河道水位會對岸坡失穩(wěn)產(chǎn)生重要影響，但是岸坡失穩(wěn)的最主要影響因素是近岸水流沖刷。假冬冬等［9］通過引入側(cè)向黏聚力，針對黏性邊坡的穩(wěn)定性受相鄰巖土體影響進(jìn)行分析研究。Dang等［10］基于極限平衡法（LEM）的數(shù)值分析評估了不同河流水位條件下加固河岸系統(tǒng)的安全系數(shù)。李宗華［11］以松花江干流治理工程為研究對象，通過對比分析不同形式岸坡對邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)生態(tài)護(hù)坡固岸作用最明顯。侯晉芳等［12］分析了抗剪強(qiáng)度低、靈敏度高的軟土邊坡在施工期間反映實(shí)際土體滑動面抗剪強(qiáng)度的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，采用回歸分析法對邊坡安全系數(shù)進(jìn)行修正。

前人對軟土河道邊坡穩(wěn)定性的研究較少，本文以蘇北沿海平原地區(qū)響坎河軟土地質(zhì)條件的黃河故道河段為研究對象，分析河道疏浚治理工程軟土邊坡的穩(wěn)定性，在總結(jié)引起河道邊坡失穩(wěn)因素的基礎(chǔ)上，計算干法施工和帶水施工情況下的邊坡安全系數(shù)，通過對比確定該段河道治理采用帶水施工方式。

1研究區(qū)域概況

響坎河南起黃河故道，北至灌河，穿越沂南區(qū)和廢黃河區(qū)，長約24.6 km。以運(yùn)響河節(jié)制閘為界分為兩段，北段長約20.7 km，屬沂南地區(qū)；南段長約3.9 km，屬黃河故道地區(qū)。節(jié)制閘以北沂南段主要功能為排澇、引水以及航運(yùn)；以南黃河故道段主要功能為引水。在響坎河實(shí)際排澇時，北岸河漫地澇水主要通過坡面匯水及沿線支河自排匯入黃河故道。

2工程地質(zhì)條件

響坎河黃河故道沿線為第四系潟湖相和濱海相地層，除淺部填土外，均為第四系全新統(tǒng)沉積地層。綜合地層成因類型、土層發(fā)育情況與分布特征，河道開挖線以上主要為第（1A）、（1B）、（1C）、（2）、（3A）、（3B）層，河底多位于第（3B）層，局部河段河底位于第（3）、（3A）層土中。第（3）層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土屬軟土，流塑狀態(tài)，偶夾薄層（0.1～0.2 cm）砂壤土，欠均勻，孔隙比大于1，天然含水率大于液限，液性指數(shù)大于1，具有含水率高、壓縮性高、孔隙比大、靈敏度高、強(qiáng)度低以及觸變性、流變性和抗沖刷能力差等特點(diǎn)，是該場地較軟弱的工程地質(zhì)單元之一，工程性質(zhì)差。第（3）層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土在河道開挖線以內(nèi)，抗沖刷能力差，直接影響河道的邊坡穩(wěn)定。此外，第（3A）層輕粉質(zhì)砂壤土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、第（3C）、（5）層輕粉質(zhì)壤土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的工程性質(zhì)與軟土相近，均按照軟土考慮。巖土物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

地表水主要匯集于響坎河中，水位隨季節(jié)變化較大，汛期水位較高，枯水期水位較低。河道兩岸勘探深度范圍內(nèi)地下水主要為賦存于松散沉積物中的孔隙水，第（3）層以淺地下水具潛水性質(zhì)，與地表水連通較好，其補(bǔ)給來源為大氣降水和地表水，主要排泄方式為蒸發(fā)和徑流。

3河道邊坡穩(wěn)定性分析

3.1邊坡失穩(wěn)原因

在土體性質(zhì)、地形地貌、氣象條件和水文作用等主要因素的影響下［13-15］，河道岸坡出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。在水流沖刷作用下，邊坡土體的基本物理狀態(tài)穩(wěn)定性發(fā)生變化，土體抗剪強(qiáng)度降低，可能發(fā)生岸坡失穩(wěn)［16］。當(dāng)河道水流漫過邊坡坡面時，岸坡土體軟化，抗剪強(qiáng)度降低，會發(fā)生土坡的下切侵蝕。

在河道變水位區(qū)間內(nèi)，邊坡坡面被波動水流侵蝕，當(dāng)波動區(qū)水流速度從高流速突然變慢時會產(chǎn)生水躍。水躍沖擊坡面、沖刷岸坡、舔舐坡面，會導(dǎo)致坡面破壞進(jìn)而失穩(wěn)。根據(jù)河道水力特征，水躍現(xiàn)象的劇烈程度取決于弗勞德數(shù)Fr（表2），計算如下：

3.2邊坡穩(wěn)定計算

由于河道兩岸淤泥層較厚，若采用將河道流水排干的干法施工，水位快速下降，坡內(nèi)水位的下降速度顯著滯后于坡外，邊坡孔隙水壓力降低，產(chǎn)生指向坡外的滲流，直接干擾兩岸巖土體滲流場和應(yīng)力場。受到高剪切力和有效應(yīng)力改變的影響，坡體內(nèi)有滑坡的風(fēng)險，并且呈現(xiàn)出典型的牽引式發(fā)展模式。河道處于軟土地區(qū)，在水位快速下降過程中，邊坡土體所受到的浮力減小，但同時邊坡土體內(nèi)的孔隙水無法及時排出導(dǎo)致坡體內(nèi)水位比河水位高，形成影響巖坡穩(wěn)定的超孔隙水壓力，外部水體推力消失和基質(zhì)吸力恢復(fù)緩慢，飽和淤泥質(zhì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的下降率相比砂質(zhì)邊坡提高了超過3倍。本研究對干法工況進(jìn)行試算，結(jié)果顯示，除局部鉆孔外，沿線鉆孔大多不符合規(guī)范中的穩(wěn)定要求，試算結(jié)果如圖1所示。

如果采用帶水施工方法，即施工期不進(jìn)行抽水、降水等，不改變河道岸坡滲流場和坡體

抗剪強(qiáng)度，并對邊坡在設(shè)計洪水下穩(wěn)定滲流期正常運(yùn)行期的飽和滲流狀態(tài)和設(shè)計洪水驟降期水位降落期的臨水側(cè)堤穩(wěn)定性進(jìn)行計算。計算方式如圖2所示，計算結(jié)果如表3所示。

4河道岸坡防護(hù)

根據(jù)地質(zhì)情況，結(jié)合河道斷面現(xiàn)狀，設(shè)置駁岸護(hù)坡時，基礎(chǔ)設(shè)計形式應(yīng)視相應(yīng)河段的土層土質(zhì)情況確定。可采用天然地基，并進(jìn)行地基承載力、變形和抗滑、抗傾覆等驗(yàn)算。應(yīng)根據(jù)擬整治河道的實(shí)際情況合理選擇岸坡整治防護(hù)形式。在河道疏浚過程中，綜合運(yùn)用排水截水加固、增加滑坡阻力、減小下滑力和土質(zhì)改良4種方式對河道護(hù)坡進(jìn)行加固。

4.1岸坡生態(tài)防護(hù)方案比選

主流的河道生態(tài)防護(hù)技術(shù)可分為單純的植物邊坡綠化防護(hù)技術(shù)和植物-工程措施復(fù)合防護(hù)技術(shù)兩大類。純植物防護(hù)技術(shù)施工簡便且造價低，但是生態(tài)修復(fù)緩慢，復(fù)合防護(hù)技術(shù)效果好且成效穩(wěn)固，但造價較高。為了選擇最適合的方案對河道進(jìn)行有效防護(hù)，通過總結(jié)前人研究，對10種邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)進(jìn)行適用性比較，如表4所示［17-25］。

4.2岸坡防護(hù)效果分析

考慮到河道邊坡防護(hù)效果的持久性和穩(wěn)定性，岸坡防護(hù)方式更傾向于采用植物-工程措施復(fù)合防護(hù)技術(shù)［26］。在綜合考慮河道特征、功能定位以及地質(zhì)條件以后，該工程在岸坡前緣采用仿木樁進(jìn)行加固，坡面采用框格混凝土植草防護(hù)方案對河道兩岸進(jìn)行生態(tài)防護(hù)。仿木樁阻擋滑坡體下滑推力，框格混凝土使坡面骨架化，能夠有效提高河道岸坡整體坡面強(qiáng)度，增加邊坡整體穩(wěn)定性。岸坡防護(hù)剖面如圖3所示。

5結(jié)論

（1） 經(jīng)綜合條件考量及抗滑安全系數(shù)復(fù)核計算，黃河故道軟土地區(qū)河道治理若采用干法施工，會造成岸坡孔隙水壓力和應(yīng)力場的改變，從而使邊坡發(fā)生失穩(wěn)。因此，宜采用帶水施工方式。

（2） 在綜合考慮河道特征、功能定位以及地質(zhì)條件以后，在岸坡前緣采用仿木樁進(jìn)行加固，坡面采用框格混凝土植草防護(hù)方案對河道兩岸進(jìn)行生態(tài)防護(hù)。防護(hù)后的邊坡的抗傾覆穩(wěn)定性和整體安全系數(shù)均滿足要求，且設(shè)計洪水下穩(wěn)定滲流期的安全系數(shù)平均提高約42%，驟降期鄰水側(cè)堤坡的安全系數(shù)平均提高約31%，防護(hù)效果顯著。

參考文獻(xiàn)：

［1］孫贊盈，魏毅琳，馬東方，等.2019年小浪底排沙期下游河道水位抬升原因分析［J］.人民黃河，2021，43（12）：41-44.

［2］尤延鋒，王奕童，王遠(yuǎn)見，等.黃河入?？趤喨侵扪葑兣c下游河道關(guān)系探究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2021（10）：97-104.

［3］張猛，王遠(yuǎn)航，楊麗娜，等.通惠河道淤積特性及防洪影響分析［J］.北京水務(wù)，2020（1）：37-40.

［4］童曉玲.河道整治中存在的問題及對策淺論［J］.中國水運(yùn)（下半月），2012，12（6）：155-156.

［5］高小雲(yún)，李慧.美國佛羅里達(dá)州南部3條河流流態(tài)對水質(zhì)影響研究［J］.水利水電快報，2021，42（10）：5.

［6］ATHANASIOS N P，MOHAMED E，ROBERT H.Secondary current effects on cohesive river bank erosion［J］.Water Resources Research，2007，43（12）：W12418.

［7］舒安平，周星，余明輝，等.岸坡崩塌條件下彎道環(huán)流與水流剪切力的變化特征［J］.水利學(xué)報，2018，49（3）：271-281.

［8］張幸農(nóng)，假冬冬，陳長英.長江中下游崩岸時空分布特征與規(guī)律［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2021，29（1）：55-63.

［9］假冬冬，夏海峰，陳長英，等.岸灘側(cè)蝕對航道條件影響的三維數(shù)值模擬——以長江中游太平口水道為例［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2017，28（2）：223-230.

［10］DANG C C，DANG L C，KHABBAZ H.Predicting the stability of riverbank slope reinforced with columns under various river water conditions［C］∥Advances in Transportation Geotechnics IV.Cham：Springer International Publishing，2022.

［11］李宗華.試論生態(tài)護(hù)坡在河道治理工作中的應(yīng)用對策［J］.中國水運(yùn)（下半月），2020，20（7）：88-89.

［12］侯晉芳，劉愛民，閆澍旺，等.施工期軟土邊坡穩(wěn)定分析中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定方法［J］.水運(yùn)工程，2009（12）：178-181.

［13］李文勇.河岸沉積污染物清除過程中邊坡穩(wěn)定性分析［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2022（9）：249-252.

［14］常金源，包含，伍法權(quán)，等.降雨條件下淺層滑坡穩(wěn)定性探討［J］.巖土力學(xué)，2015，36（4）：995-1001.

［15］CUNYONG Z.Fractal analysis of muddy submarine channel slope instability from sub-bottom profile images［J］.Marine Georesources & Geotechnology，2022，40（6）：701-711.

［16］魏寶國.淮北沙土地區(qū)河道邊坡設(shè)計與防護(hù)技術(shù)試驗(yàn)研究［J］.江蘇水利，2012（3）：18-19.

［17］YANG Y，YANG J Y，ZHAO T? N，et al.Ecological restoration of highway slope by covering with straw-mat and seeding with grass-legume mixture［J］.Ecological Engineering，2016，90：68-76.

［18］顧海華，楊曉康.河道生態(tài)護(hù)坡類型探討［J］.城市道橋與防洪，2011（6）：127-129.

［19］李宏鈞，孔亞平，張巖.植物纖維毯生態(tài)防護(hù)效益研究述評［J］.中國水土保持科學(xué)，2016，14（3）：146-154.

［20］馮婷，賈亞軍.生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在城市河道整治中的應(yīng)用［J］.中國給水排水，2008，24（20）：58-60.

［21］陳桂軍，何斌.格賓網(wǎng)箱擋土墻在廣西高速公路的應(yīng)用［J］.西部交通科技，2006（5）：61-63.

［22］戴方喜，宋林旭.邊坡生態(tài)防護(hù)與治理技術(shù)的研究及應(yīng)用［J］.中國水土保持，2007（7）：20-22.

［23］孫忠園.生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在水電站護(hù)坡工程中的應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息，2014（17）：210.

［24］黃岳文，汪榮勛.榮勛砌塊及其在生態(tài)護(hù)岸上的應(yīng)用［J］.人民長江，2008（13）：67-69，74.

［25］劉斯鳳，劉黎，余新洲，等.植被型生態(tài)混凝土的研究現(xiàn)狀及趨勢［J］.三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，31（3）：52-55.

［26］張舒靜.上海市典型河道生態(tài)護(hù)岸效果綜合評價［J］.人民長江，2021，52（4）：75-80，123.

（編輯：李慧）

Slope stability analysis of dredging project in soft soil area of old Yellow River channel

ZHANG Liyuan，GUO Lianfeng，WANG Yun

（Yancheng City Water Resources Survey and Design Research Institute Co.，Ltd.，Yancheng 224055，China）

Abstract：Rivers flowing through soft soil areas formed by alluvial silt were prone to siltation，and required channel dredging.To analyze the impact of dredging project construction on river bank slopes，the coastal plain area of northern Jiangsu Province and Xiangkan River were used as the research objects.The stability of the coastal slopes during the dredging construction of old Yellow River section under soft soil geological conditions was analyzed，and the two methods of construction with and without water were compared.On the basis of comprehensive consideration of the river channel characteristics，functional positioning and geological conditions，a frame concrete grass planting slope protection scheme was adopted to carry out ecological protection on both sides of the river flowing through the old Yellow River channel.The results showed that dry construction can easily cause bank slope instability，and the anti-sliding safety factor was lower than the value required by the specification，so the construction with water should be used.The anti-overturning stability and overall safety factor of the slope after protection can meet with the requirements，and the safety factor was significantly improved.

Key words：dredging project； slope stability； slope stabilization； ecological protection； soft soil area； old Yellow River channel