大型干塢放排水過程中邊坡穩(wěn)定性分析

宋 妍，王光輝

(中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南洛陽 471009)

0 引言

目前，國內(nèi)外大型干塢放排水施工監(jiān)測參考分析資料十分稀少，相關領域的文獻資料對此種工況的參考價值也是十分有限。文獻［1-2］肯定了ANSYS計算軟件在滲流分析中的有效性，并依托工程實例進行驗證，同時涉及到了水頭、滲透系數(shù)及含水量等影響因素的分析;文獻［3］利用有限元的方法分析了受雨水浸潤的邊坡和路肩應力、應變情況，找出雨水浸潤和車輛荷載對邊坡失穩(wěn)和路肩破壞的影響程度，從而為牧區(qū)道路的設計提供相關理論依據(jù);文獻［4］探討了堤防土質(zhì)在浸水后強度指標的變化規(guī)律及堤防穩(wěn)定情況，并對洪水長時間浸泡后堤防的各項指標進行了預測;文獻［5］分析了水位升降、降水、裂隙等因素對堤防安全的影響規(guī)律。文獻［1-5］從各個角度分析邊坡與內(nèi)外水的相互作用，但均缺乏實際現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效支持，并且干塢內(nèi)邊坡放排水速率有別于降水及洪水。以生物島—大學城沉管隧道施工為例，對大型干塢放排水過程中邊坡的穩(wěn)定進行數(shù)值模擬計算并對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析總結。

1 工程概況

生物島—大學城隧道工程位于廣州市的東南部，連接生物島與大學城，隧道線路呈南北走向。本標段為A標段，A標段工程的起訖里程為SK0+265～+817，全長552 m，包括214 m的沉管段和338 m的北端岸上段。在北端邊岸上段基坑內(nèi)，能滿足一次性預制全部3節(jié)管段和北端27．5m接口段主體施工的場地需要。214 m的沉管段分為E1，E2和E3 3節(jié)管段，每節(jié)管段的長度分別為94，116，4 m。設計采用北端軸線干塢方案，塢底標高為-5．61 m，接頭段主體結構標高和塢底標高能夠錯開，在高潮位時滿足管段浮運出塢要求，最后完成273 m明挖暗埋管段施工。

北端岸上段基坑東側為土質(zhì)邊坡，由上到下依次為人工覆土、〈3-2〉粉細砂、〈5-1〉砂質(zhì)黏性土(殘積-可塑)、〈5-2〉砂質(zhì)黏性土(殘積-硬塑)及〈6〉全風化層。放坡開挖支護形式主要有預應力錨網(wǎng)噴支護、預應力錨桿、預應力錨索，坡面設有排水孔，邊坡施作過程中應注意保護邊坡原狀土。放坡開挖掛網(wǎng)噴射混凝土厚度為100 mm和120 mm，網(wǎng)片約21000 m2，混凝土量約為2 200 m3;預應力錨桿采用直徑16～18 mm錨桿，間距1 300～1 500 mm，長度為6～28 m，傾角20°，總長度約為77 600m;預應力錨索采用2～4根鋼絞線，每根鋼絞線由直徑5 mm的7根盤條組成，間距1 200 m，長度為20 ～36 m，傾角分別為20°，30°和45°，總長度約為28200m。西側為旋噴樁和鉆孔灌注樁樁錨支護。干塢西側旋噴樁有131根，直徑800mm，間距1200mm，深度為13 m，總長度為1 703 m;干塢端頭(接口段，即東側)鉆孔灌注樁有30根，直徑800 mm，間距1 200 mm，深度為11～24 m，總長度為482 m;干塢西側鉆孔灌注樁有130根，直徑1 000 mm，間距1 200 mm，深度為17 m，總長度為1 870 m。

東側土質(zhì)邊坡經(jīng)歷放坡開挖、管段制作、管段浮運、邊坡二次開挖等復雜工況，為國內(nèi)施工監(jiān)測少見項目。

2 數(shù)值模擬方案及結果分析

2．1 數(shù)值模擬方案

邊坡穩(wěn)定分析的計算方法有很多，如條分法、數(shù)值分析方法、塑性極限方法、可靠度方法和模糊數(shù)學方法等。目前，對于土質(zhì)邊坡來說，邊坡穩(wěn)定分析方法主要分2類，即以極限平衡理論為基礎的條分法和以彈塑性理論為基礎的數(shù)值計算方法。

ANSYS是一個功能強大的有限元軟件，邊坡穩(wěn)定分析就是利用ANSYS可對結果數(shù)據(jù)進行數(shù)學運算的功能來做的，即:根據(jù)有限元程序計算得到的應力場來計算各點的安全系數(shù)，然后利用ANSYS強大的后處理功能繪出安全系數(shù)等值線，安全系數(shù)最小的那條等值線就是最可能的滑裂面，其安全系數(shù)就是邊坡的安全系數(shù)。

求出了各點(在ANSYS中實際上是各單元的高斯積分點)安全系數(shù)F后，就可以用ANSYS繪出F的等值線圖。F＞1部分的抗滑力大于滑移力，是穩(wěn)定的。F＜1部分如果等值線穿越凌空邊界，則這部分不但有滑移的趨勢而且有滑移的可能，是不穩(wěn)定的，且F等值線就是滑移線;F＜1的部分如果等值線成為封閉曲線或與固定邊界成為封閉曲線，其包圍的部分雖有下滑的趨勢，但封閉區(qū)域以外的部分是不滑動的，所以封閉區(qū)域以內(nèi)的部分受外面部分的約束也沒有滑移的可能，仍然是穩(wěn)定的。如果所有的F都大于1，則最小的F就是該邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)［1］。

ANSYS沒有直接進行滲流分析模塊，但可以用熱分析模塊進行滲流分析。土體滲流問題與溫度場問題的控制方程與定解條件在數(shù)學上是一樣的，只需要將溫度場介質(zhì)換成土體介質(zhì)，相應的參數(shù)換為求解滲流場的參數(shù)，就可以采用ANSYS軟件中溫度場分析功能進行滲流場的分析計算。

2．2 數(shù)值模擬結果分析

邊坡內(nèi)部水頭值均采用實測數(shù)據(jù)，邊坡內(nèi)外水位差選取抽水過程中的最大值進行模擬，即邊坡內(nèi)水位為0．06 m，邊坡外水位約為-5．0 m。干塢底部淤泥以荷載形式作用在坡腳處。邊坡巖土力學參數(shù)如表1所示，模擬時滲透系數(shù)以埋深函數(shù)形式定義。

表1 巖土層力學參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of rock and soil strata

圖1為受靜水壓力作用下邊坡的變形。圖2為利用ANSYS溫度場對邊坡進行的滲流分析。鑒于滲流場與應力場耦合帶來的諸多不便及誤差，本次模擬嘗試提取圖1中各節(jié)點水頭值，重新建立模型后，將各節(jié)點的水頭值轉化為滲透力作用在新模型相對應的節(jié)點上，計算結果如圖3所示。

圖1 干塢放水后邊坡變形(單位:m)Fig．1 Slope deformation after water filling(m)

圖2 邊坡滲流分析(單位:m)Fig．2 Analysis on slope seepage(m)

圖3 干塢排水后邊坡變形(單位:m)Fig．3 Slope deformation after water discharging(m)

圖中3條水平臺由下向上分別稱為塢底、8．3 m平臺及邊坡頂部。水頭值沿Y軸方向，水位測點設在8．3 m平臺上，最高水頭設定是以實測數(shù)據(jù)為檢驗標準，通過反復計算確定在邊坡頂部附近的32．7 m。圖4中邊坡最小安全系數(shù)為1．08，在塢底和邊坡頂部，對邊坡穩(wěn)定沒有構成威脅。8．3 m平臺下有若干條潛在滑裂面，因安全系數(shù)均大于1．3，故可認為干塢排水對邊坡穩(wěn)定沒有影響。

圖4 邊坡安全系數(shù)計算Fig．4 Calculation of safety factor of slope

3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

干塢2009年2月18號放水，第1階段放水至高程1．6 m處進行管段檢漏(低水位檢漏);2月27日，干塢第2階段放水至高程5m處(高水位檢漏)。邊坡內(nèi)水位從2009年2月19號開始明顯上升，直到2009年3月12號上升到5m左右，與干塢內(nèi)水位基本持平。

干塢及測點布點如圖5所示，測點布置在8．3 m平臺上。

圖5 干塢及水位孔布點Fig．5 Dry dock and layout of piezometer holes

3．1 干塢內(nèi)放水

2009年2月19號至2月22號邊坡內(nèi)水位變化明顯，4 個水位孔內(nèi)水位累計變量分別為 4．65，4．50，4．50和4．57m，水位平均上升速度分別為0．93，0．90，0．90 和0．91m/d。至2009年2月22日邊坡內(nèi)水位約為1 m，稍低于干塢內(nèi)水位1．6 m。2009年2月23號至2月27號，水位變化趨向于平緩，4個水位孔水位累積變化量分別為0．91，1．14，0．91 和0．76 m，水位平均上升速度分別為 0．18，0．23，0．18 和 0．15 m/d。2 月 27 日，干塢繼續(xù)放水至高程5 m處，2009年2月27日至3月1日邊坡內(nèi)水位上升速度小于第1階段，4個水位孔內(nèi)水位平均上升速度分別為 0．68，0．67，0．62 和 0．62 m/d。至2009年3月1日，邊坡內(nèi)水位約為4 m左右。從2009年3月2日開始水位上升速度減緩，2009年3月2日至2009年3月18日，12d 4個水位孔內(nèi)水位累積變化量分別為 0．78，0．75，0．91 和0．66 m，水位平均上升速度 0．065，0．062，0．076 和 0．055 m/d。至 2009年3 月18 日，4 個觀測點內(nèi)水位分別為4．78，5．00，4．97和5．02 m，基本持平于干塢內(nèi)水位?？梢?，水頭是影響邊坡內(nèi)水位上升速率的主要因素，第1，2階段水頭分別約為7．2和3．4m;排水孔對邊坡內(nèi)水位提升有助力作用;錨網(wǎng)噴混凝土層具有一定的防水能力。邊坡內(nèi)水位歷時曲線如圖6所示。

圖6 放水期間邊坡內(nèi)水位歷時曲線Fig．6 Curves of water head inside slope during water filling

3．2 干塢內(nèi)排水

塢門破除后，干塢基坑內(nèi)的水與官州河連成一整體，基坑內(nèi)水位每天隨官州河潮汐漲落而波動，此時邊坡內(nèi)的水位也會有一些變化，如圖7所示。官州河漲潮時，基坑內(nèi)的水位升高，邊坡內(nèi)的水位也隨之升高，且升高速度很快，基坑內(nèi)水位稍微高于邊坡內(nèi)的水位，但相差不大;官州河落潮時，基坑內(nèi)的水位降低，邊坡內(nèi)的水位也隨之降低，但降低速度較慢，基坑內(nèi)水位明顯低于邊坡內(nèi)的水位。同時，C18水位孔靠近接口段，與其他水位孔相比，多了一個方向的水源供給，在潮汐漲落過程中，該孔的水位相比其他水位孔的水位處于極端位置。圖7中監(jiān)測16次之前是每天高低潮汐時測得的邊坡內(nèi)水位，高潮汐時邊坡內(nèi)最高水位達5．72 m，低潮汐時邊坡內(nèi)最低水位為5．05 m，時測管州河高潮汐為5．8 m，低潮汐為4．5 m，可見坡外水體進入邊坡的速度大于邊坡內(nèi)水體流失的速度。

圖7 排水期間邊坡內(nèi)水位歷時曲線Fig．7 Curves of water head inside slope during water discharging

二次圍堰選擇在官州河低潮位時封閉，有效減少基坑內(nèi)排水的工作量。在基坑排水的過程中，監(jiān)測基坑內(nèi)、外水位的變化速度，以邊坡內(nèi)(基坑外)水位降低的速度來控制下一步基坑內(nèi)排水速度。基坑內(nèi)外水位及差值的曲線如圖8所示。由圖8可知:在基坑內(nèi)排水的同時，邊坡內(nèi)的水位也明顯降低，但邊坡內(nèi)水位降低速度明顯慢于坑內(nèi)水位降低速度。隨基坑排水，邊坡內(nèi)外水位差在逐步增大，由最初的平均1 m到平均3 m，為保證邊坡安全，加密監(jiān)測的同時減少日抽水量;抽水結束后邊坡內(nèi)水位仍有少許下降。

圖8 基坑內(nèi)外水位及差值的曲線Fig．8 Curves of water heads inside and outside foundation pit and their differences

3．3 邊坡放排水期間變形分析

H1～H11均勻分布在8．3 m平臺之上，H1始于邊坡始端接口段，H11靠近邊坡尾端樁錨支護段。現(xiàn)場采用H2～H10監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，如圖9所示。邊坡始端變形小于邊坡尾端變形，分析原因在于H2靠近的接口段采取地下連續(xù)墻及交叉錨索施工，相當于重力式擋土墻給予邊坡始端很好的保護，相比之下H10附近的樁錨支護對邊坡尾端的保護欠之。對比干塢放水期間邊坡內(nèi)部水位，如圖7所示，邊坡H10點處的沉降與水位變化基本同步;如圖10所示，經(jīng)過近半年的浸泡，于9月16日干塢開始排水到24日結束，邊坡沉降基本與圖7中水位變化同步，排水結束后邊坡變形趨于平穩(wěn)。

圖9 邊坡放水期間邊坡沉降Fig．9 Slope settlement during water filling

圖10 邊坡排水期間沉降歷時曲線Fig．10 Slope settlement during water discharging

數(shù)據(jù)顯示邊坡在干塢放水期間的最大變形(11．31 mm)大于干塢排水期間的最大變形(-9．86 mm)，由于現(xiàn)場沒有對邊坡土體進行放排水前后力學試驗，無法確切判斷邊坡在水中長期浸泡后力學參數(shù)的改變情況，參考相關資料，分析原因有三:1)土體彈塑性。當邊坡放水時，在超過0．1 MPa的靜水壓力作用下，邊坡局部土層產(chǎn)生塑性變形，而大部分土體還處于彈性變形范圍內(nèi);當邊坡排水時，塑性變形無法完全恢復，但彈性區(qū)變形可以恢復，所以抽水后邊坡的累計變形小于放水時期邊坡的累計變形。可以假設，外部水體浸入為邊坡的“吸”，內(nèi)部水體滲出為邊坡的“吐”，如果邊坡再次“吸吐”水體，邊坡的累計變形量差會逐步衰減下去。2)靜水壓力。水侵入邊坡內(nèi)部后，盡管會使之自重增加，但靜水壓力的推擠作用更加強大使之向坑外變形，使累積變形逐步恢復。3)有效應力。土中總應力是不變的，放水時孔隙水壓力增大，有效應力較之前減小，邊坡有恢復原狀態(tài)的趨勢;排水時孔隙水壓力減小，有效應力增大，迫使土體產(chǎn)生較大變形。因土體中沒有蒙脫石等遇水膨脹的土質(zhì)，所以不在考慮范圍內(nèi)。

4 結論

1)由于參數(shù)選取、施工效果、支護等不確定因素，使有限元軟件在巖土數(shù)值模擬方面存在很大困難。以本工程為例，嘗試在沒有滲流場與應力場耦合的情況下，將滲流場計算得到的水頭轉換為結構場下的滲透力，計算邊坡的穩(wěn)定性，但從邊坡變形量與實際對比，此種方法仍有不成熟處。

2)點安全系數(shù)法在計算邊坡穩(wěn)定性是可行的，但準確程度有待進一步調(diào)試。

3)ANSYS模擬邊坡錨桿錨索支護，通過提高周邊土體參數(shù)來實現(xiàn)，參數(shù)具體數(shù)值與實踐經(jīng)驗關系密切。

4)干塢放、排水2個階段，邊坡幾乎同時完成對水的“吸、吐”過程?！拔边^程中邊坡變形大于“吐水”過程中邊坡的變形，并且邊坡的“吸水”速度大于“吐水”速度，由于邊坡持水能力，造成邊坡內(nèi)外水差局部最大達4 m，對邊坡穩(wěn)定造成威脅。

5)不同于堤壩水位的頻繁迅速升降，干塢排水的速率對邊坡穩(wěn)定性有極大的影響。

6)基坑內(nèi)水體對邊坡的反壓效果，可以有效較小邊坡的不利變形。

7)邊坡內(nèi)部滲流并未對邊坡穩(wěn)定造成危害，微量流砂未對邊坡土體的強度造成影響。

8)在控制邊坡滑動時錨桿、錨索可以被動的發(fā)揮作用，而控制邊坡的變形則十分有限。錨桿、錨索提高了潛在滑動面土體的整體性及強度，也使邊坡土體內(nèi)部剛度不連續(xù)，致使局部出現(xiàn)較大的屈服應力和變形。

9)邊坡兩翼歷史累積變形大于邊坡中部。在邊坡內(nèi)外水作用下，由于邊坡兩翼約束方式不同，使之因“吸、吐”水產(chǎn)生的變形也有差異。

［1］ 李維維．用ANSYS作考慮滲透壓的邊坡穩(wěn)定分析［D］．貴陽:貴州大學水工結構工程，2006．

［2］ 黃燕宏．滲流及其對邊坡穩(wěn)定性影響的有限元模擬分析［D］．武漢:華中科技大學巖土工程，2006．(HUANG Yan-Hong．Simulation analysis with FEM on seepage and its infulences to stability of the dam slop［D］．WuHan:Geotechnical Engineering，Huazhong University of Science ＆ Technology，2006．(in Chinese))

［3］ 胡朋，李萬鵬，柳志軍．雨水浸潤對牧區(qū)道路邊坡穩(wěn)定性的影響［J］．山東交通學院學報，2005，13(1):40-44．(HU Peng，LI Wanpeng，LIU Zhijun．The influence of rain soaking on the stability of pastoral area highway slope［J］．Journal of Shandong Jiaotong University，2005，13(1):40-44．(in Chinese))

［4］ 喬蘭，趙宇坤，李慶安．考慮洪水浸泡的黃河下游堤防穩(wěn)定性預測［J］．人民黃河，2008，30(7):14-17．(QIAO Lan，ZHAO Yukun，LI Qing’an．Predict stability of immersed embankments of the lower［J］．Yellow River，2008，30(7):14-17．(in Chinese))

［5］ 沈華中，洪衛(wèi)．基于GeoStudio軟件的堤壩安全評價［J］．人民黃河，2008，30(11):18-20．

［6］ 龔曙光，謝桂蘭．ANSYS操作命令與參數(shù)化編程［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2004．

［7］ 龔曙光．ANSYS基礎應用及范例解析［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2003．