基于GeoStudio的近海邊坡加固措施仿真模擬

唐遠東

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122)

0 引 言

為滿足工程需要而對自然邊坡和人工邊坡進行改造，稱為邊坡工程。邊坡工程已廣泛地開展于土木工程、礦業(yè)工程、水利工程、交通運輸工程、地質(zhì)工程等行業(yè)。

學術界及工程界對邊坡工程的研究已深入多年，例如黎桂林[1]依托某水利工程的高邊坡處理，分別從技術上對支護和開挖工程進行了詳細介紹，并對施工關鍵環(huán)節(jié)和安全監(jiān)測進行了詳細的分析；楊天鴻[2]等人分析露天礦邊坡的工程特點，指出當前露天礦邊坡穩(wěn)定性研究存在的問題，提出"邊坡巖體漸進損傷破壞是邊坡巖體失穩(wěn)前兆本質(zhì)特征"這一學術思路；羅麗娟、趙法鎖[3]簡要綜述了國內(nèi)外滑坡(邊坡)支護方法的研究現(xiàn)狀及取得的成果，重點對支擋結構、坡體內(nèi)部加固等支護方法方面近幾年取得的代表性成果進行了概要描述和分析。

近海邊坡工程具有潮位變動頻繁、潮流、地質(zhì)條件復雜等特點。前人對近海邊坡工程也進行過一系列研究。例如張偉、陳正漢[4]以廈門幾個典型海床邊坡為例，運用多種方法對其穩(wěn)定性進行分析。張艷艷[5]以濱海公路莊河段為例介紹了植草、干砌片石護坡、漿砌片石護坡及拋石等方法綜合處理臨海段路堤邊坡及基礎的方法及設計、施工中應注意的一些問題。

GeoStudio是一套專業(yè)、高效而且功能強大的適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計算的仿真軟件。文章基于GeoStudio，對某近海工程在設計過程中，發(fā)生邊坡緩慢滑移，針對具體情況，提出2種邊坡加固方案，并計算加固后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，對加固方案進行比較。

1 分析基礎

1.1 分析方法

本次對滑坡區(qū)域的仿真模擬耦合了GeoStudio中的SLOPE/W(邊坡穩(wěn)定分析)模塊及SEEP/W(地下水滲流分析)模塊，采用Morgenstern-Price法，對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)進行計算。

Morgenstern-Price法類似于Spencer法，不同的是，該方法考慮了多種形式的條間力函數(shù)。由于考慮了條間力，用M-P法算得的安全系數(shù)比用簡化Bishop發(fā)的安全系數(shù)稍小，更加保守。

1.2 工程水文地質(zhì)條件

滑坡區(qū)域擬建工程北側(cè)地勢較為平坦，現(xiàn)狀場地主要為廠區(qū)，局部分布道路及田地， 臨海位置局部分布碼頭，場地現(xiàn)狀標高約2.52～4.16m。工程沿線西側(cè)海底相對東側(cè)較低，地形坡度一般為10°～20°(1∶5～1∶3)，該區(qū)域地表分布有厚度不等的填土層，厚度約0.20～7.60m，覆蓋層以淤泥質(zhì)土為主，厚度約13.6～35.5m。滑坡段地層物理力學參數(shù)建議值表，見表1。

工程區(qū)域西側(cè)某水文站屬不正規(guī)半日混合潮潮型，一日呈兩高兩低，漲落潮歷時差值約為1h。其中，多年平均漲潮歷時為5時40分，落潮歷時為6時45分。1997年最高潮位3.15m，1978年最低潮位-2.13m，為實測資料中最低值。多年平均高潮位1.22m，多年平均低潮位-0.83m，多年平均年最高潮位2.31m，多年平均年最低潮位-1.96m，多年平均潮位0.23m，平均潮差2.05m。

表1 滑坡段地層物理力學參數(shù)建議值表

1.3 分析步驟簡介

本次仿真模擬按以下步驟進行：

1)新建SEEP/W模塊，在建模界面輸入提前制作完畢的AutoCAD土層斷面圖。

2)點擊“繪制材料”，新建斷面各土層，材料模型選擇“僅限飽和”，然后輸入各土層飽和傳導率、飽和單位體積含水量、Beta值、各向異性參數(shù)等。

3)點擊“繪制邊界條件”，再點擊“輸入”，添加該工況下迎水面、背水面的水位條件。

4)在SEEP/W模塊下新建SLOPE/W模塊，在“輸入分析”中，設置分析類型為“Morgenstern-Price”，孔隙水壓力情形來自“上級目錄”。

5)在SLOPE/W建模界面，點擊“繪制材料”，再點擊“輸入”，添加各土層，材料模型選擇“Mohr-Coulomb”，并輸入各土層的容重、黏聚力、摩擦角。

6)在SLOPE/W建模界面，點擊“繪制滑移面進口和出口”，輸入滑弧的進口范圍、出口范圍、增量數(shù)范圍、半徑增加數(shù)。

7)在求解管理器中點擊“開始”，并在結果界面中查看邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)模擬值。

2 加固方案仿真模擬

首先對滑坡后的邊坡斷面進行整體穩(wěn)定仿真計算，文章選取兩種不利工況進行仿真。工況1仿真結果，見圖1；工況2仿真結果，見圖2。

圖1 工況1仿真結果

圖2 工況2仿真結果

1)工況1：迎水面取平均低潮位-0.83m。

2)工況2：迎水面歷時6h，從平均高潮位1.22m落潮至平均低潮位-0.83m。

由仿真結果圖1及圖2可知，滑坡后平均低潮位工況下，整體穩(wěn)定安全系數(shù)已<1，必須對滑坡區(qū)域進行邊坡加固。

2.1 加固方案1：削坡

由于滑坡段位于老碼頭前沿水域附近，初步認為水域經(jīng)疏浚后底高程較低，回淤后上部淤泥力學性質(zhì)較差。加固方案一建議由岸側(cè)向海側(cè)逐步卸去滑坡段岸坡的淤泥。工況3為平均低潮位下削坡1.5m，工況4為平均低潮位下削坡3.5m。工況3仿真結果，見圖3；工況4仿真結果，見圖4。

圖3 工況3仿真結果

圖4 工況4仿真結果

由仿真結果圖3及圖4可知，將淤泥層削去1.5m厚后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達到1.070，邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；將淤泥層削去3.5m厚后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達到1.441，穩(wěn)定性顯著提高。

2.2 加固方案2：拋石護腳

拋石護腳為常見的一種護岸型式，通過在潛在滑移面出口堆石加載達到抵抗滑移、防止坡腳沖刷的作用，目前已廣泛地應用于河道治理工程。加固方案二建議于現(xiàn)狀滑坡段坡腳處增設4m厚拋石。工況5為平均低潮位下坡腳增設4m厚拋石。工況5仿真結果，見圖5。

圖5 工況5仿真結果

由仿真結果圖5可知，現(xiàn)狀坡腳增設4m厚拋石后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)僅為0.928，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，拋石護腳方案對該滑坡段邊坡穩(wěn)定無明顯提升。

2.3 加固方案3：加密樁基

加密樁基在一定程度上增加了滑坡段樁土間的側(cè)向抗力，對潛在滑移面的運動趨勢起到阻礙作用。工況6為加密外海側(cè)4排樁，由原先順海岸線4.5m樁間距減小為3.5m樁間距。工況6仿真結果，見圖6。

圖6 工況6仿真結果

由仿真結果圖6可知，4.5m樁間距減小為3.5m樁間距后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達到1.120，邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，加密樁基方案對該滑坡段邊坡穩(wěn)定提升效果優(yōu)于拋石護腳方案。

2.4 滑坡段原布樁方案

滑坡區(qū)域為鉆孔灌注樁施工區(qū)域，工況7為平均低潮位下第二次滑坡區(qū)域不做邊坡加固處理完成原方案樁基施工完成后。工況7模擬仿真結果，見圖7。

圖7 工況7仿真結果

由仿真結果圖7可知，若不對第二次滑坡段進行邊坡加固處理，樁基施工完成后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.089，邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結論與展望

某近海工程滑坡區(qū)域淤泥層厚達13m以上，若不進行邊坡加固措施，將存在次生滑坡災害的風險。經(jīng)仿真模擬分析，對現(xiàn)狀淤泥層削坡3.5m方案效果最佳，加密樁基方案其次，削坡1.5m方案第三，拋石4m厚方案無明顯加固效果。

SLOPE/W模塊還可添加其他附加荷載進行仿真，可供添加的加固荷載類型有錨桿、土工織物、土釘、樁，為其他加固措施的邊坡穩(wěn)定仿真模擬提供了可能性，文章不再贅述。

經(jīng)綜合分析，削坡方案在滑坡段水域存在施工效率低、厚度難以把控等不利因素，故滑坡段最終采用了加密樁基的方案對邊坡進行加固，同時延長樁基施工時間，采用跳打方式，盡量減少對邊坡的施工擾動。根據(jù)現(xiàn)場10個測斜孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)，加密樁基后測斜孔10m以下位移均在1mm以內(nèi)，趨勢穩(wěn)定，表明樁間土層無滑坡趨勢。