基于GeoStudio的近海边坡加固措施仿真模拟
时间：2023-03-10 12:35:03 来源：千叶帆 本文已影响人
唐远东
(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122)
为满足工程需要而对自然边坡和人工边坡进行改造，称为边坡工程。边坡工程已广泛地开展于土木工程、矿业工程、水利工程、交通运输工程、地质工程等行业。
学术界及工程界对边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边坡处理，分别从技术上对支护和开挖工程进行了详细介绍，并对施工关键环节和安全监测进行了详细的分析；
杨天鸿[2]等人分析露天矿边坡的工程特点，指出当前露天矿边坡稳定性研究存在的问题，提出"边坡岩体渐进损伤破坏是边坡岩体失稳前兆本质特征"这一学术思路；
罗丽娟、赵法锁[3]简要综述了国内外滑坡(边坡)支护方法的研究现状及取得的成果，重点对支挡结构、坡体内部加固等支护方法方面近几年取得的代表性成果进行了概要描述和分析。
近海边坡工程具有潮位变动频繁、潮流、地质条件复杂等特点。前人对近海边坡工程也进行过一系列研究。例如张伟、陈正汉[4]以厦门几个典型海床边坡为例，运用多种方法对其稳定性进行分析。张艳艳[5]以滨海公路庄河段为例介绍了植草、干砌片石护坡、浆砌片石护坡及抛石等方法综合处理临海段路堤边坡及基础的方法及设计、施工中应注意的一些问题。
GeoStudio是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件。文章基于GeoStudio，对某近海工程在设计过程中，发生边坡缓慢滑移，针对具体情况，提出2种边坡加固方案，并计算加固后边坡稳定安全系数，对加固方案进行比较。
1.1 分析方法
本次对滑坡区域的仿真模拟耦合了GeoStudio中的SLOPE/W(边坡稳定分析)模块及SEEP/W(地下水渗流分析)模块，采用Morgenstern-Price法，对边坡稳定安全系数进行计算。
Morgenstern-Price法类似于Spencer法，不同的是，该方法考虑了多种形式的条间力函数。由于考虑了条间力，用M-P法算得的安全系数比用简化Bishop发的安全系数稍小，更加保守。
1.2 工程水文地质条件
滑坡区域拟建工程北侧地势较为平坦，现状场地主要为厂区，局部分布道路及田地， 临海位置局部分布码头，场地现状标高约2.52～4.16m。工程沿线西侧海底相对东侧较低，地形坡度一般为10°～20°(1∶5～1∶3)，该区域地表分布有厚度不等的填土层，厚度约0.20～7.60m，覆盖层以淤泥质土为主，厚度约13.6～35.5m。滑坡段地层物理力学参数建议值表，见表1。
工程区域西侧某水文站属不正规半日混合潮潮型，一日呈两高两低，涨落潮历时差值约为1h。其中，多年平均涨潮历时为5时40分，落潮历时为6时45分。1997年最高潮位3.15m，1978年最低潮位-2.13m，为实测资料中最低值。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 滑坡段地层物理力学参数建议值表
1.3 分析步骤简介
本次仿真模拟按以下步骤进行：
1)新建SEEP/W模块，在建模界面输入提前制作完毕的AutoCAD土层断面图。
2)点击“绘制材料”，新建断面各土层，材料模型选择“仅限饱和”，然后输入各土层饱和传导率、饱和单位体积含水量、Beta值、各向异性参数等。
3)点击“绘制边界条件”，再点击“输入”，添加该工况下迎水面、背水面的水位条件。
4)在SEEP/W模块下新建SLOPE/W模块，在“输入分析”中，设置分析类型为“Morgenstern-Price”，孔隙水压力情形来自“上级目录”。
5)在SLOPE/W建模界面，点击“绘制材料”，再点击“输入”，添加各土层，材料模型选择“Mohr-Coulomb”，并输入各土层的容重、黏聚力、摩擦角。
6)在SLOPE/W建模界面，点击“绘制滑移面进口和出口”，输入滑弧的进口范围、出口范围、增量数范围、半径增加数。
7)在求解管理器中点击“开始”，并在结果界面中查看边坡稳定安全系数模拟值。
首先对滑坡后的边坡断面进行整体稳定仿真计算，文章选取两种不利工况进行仿真。工况1仿真结果，见图1；
工况2仿真结果，见图2。
图1 工况1仿真结果
图2 工况2仿真结果
1)工况1：迎水面取平均低潮位-0.83m。
2)工况2：迎水面历时6h，从平均高潮位1.22m落潮至平均低潮位-0.83m。
由仿真结果图1及图2可知，滑坡后平均低潮位工况下，整体稳定安全系数已<1，必须对滑坡区域进行边坡加固。
2.1 加固方案1：削坡
由于滑坡段位于老码头前沿水域附近，初步认为水域经疏浚后底高程较低，回淤后上部淤泥力学性质较差。加固方案一建议由岸侧向海侧逐步卸去滑坡段岸坡的淤泥。工况3为平均低潮位下削坡1.5m，工况4为平均低潮位下削坡3.5m。工况3仿真结果，见图3；
工况4仿真结果，见图4。
图3 工况3仿真结果
图4 工况4仿真结果
由仿真结果图3及图4可知，将淤泥层削去1.5m厚后，边坡稳定安全系数达到1.070，边坡处于临界稳定状态；
将淤泥层削去3.5m厚后，边坡稳定安全系数达到1.441，稳定性显著提高。
2.2 加固方案2：抛石护脚
抛石护脚为常见的一种护岸型式，通过在潜在滑移面出口堆石加载达到抵抗滑移、防止坡脚冲刷的作用，目前已广泛地应用于河道治理工程。加固方案二建议于现状滑坡段坡脚处增设4m厚抛石。工况5为平均低潮位下坡脚增设4m厚抛石。工况5仿真结果，见图5。
图5 工况5仿真结果
由仿真结果图5可知，现状坡脚增设4m厚抛石后，边坡稳定安全系数仅为0.928，边坡处于不稳定状态，抛石护脚方案对该滑坡段边坡稳定无明显提升。
2.3 加固方案3：加密桩基
加密桩基在一定程度上增加了滑坡段桩土间的侧向抗力，对潜在滑移面的运动趋势起到阻碍作用。工况6为加密外海侧4排桩，由原先顺海岸线4.5m桩间距减小为3.5m桩间距。工况6仿真结果，见图6。
图6 工况6仿真结果
由仿真结果图6可知，4.5m桩间距减小为3.5m桩间距后，边坡稳定安全系数达到1.120，边坡处于临界稳定状态，加密桩基方案对该滑坡段边坡稳定提升效果优于抛石护脚方案。
2.4 滑坡段原布桩方案
滑坡区域为钻孔灌注桩施工区域，工况7为平均低潮位下第二次滑坡区域不做边坡加固处理完成原方案桩基施工完成后。工况7模拟仿真结果，见图7。
图7 工况7仿真结果
由仿真结果图7可知，若不对第二次滑坡段进行边坡加固处理，桩基施工完成后边坡稳定安全系数为1.089，边坡处于临界稳定状态。
某近海工程滑坡区域淤泥层厚达13m以上，若不进行边坡加固措施，将存在次生滑坡灾害的风险。经仿真模拟分析，对现状淤泥层削坡3.5m方案效果最佳，加密桩基方案其次，削坡1.5m方案第三，抛石4m厚方案无明显加固效果。
SLOPE/W模块还可添加其他附加荷载进行仿真，可供添加的加固荷载类型有锚杆、土工织物、土钉、桩，为其他加固措施的边坡稳定仿真模拟提供了可能性，文章不再赘述。
经综合分析，削坡方案在滑坡段水域存在施工效率低、厚度难以把控等不利因素，故滑坡段最终采用了加密桩基的方案对边坡进行加固，同时延长桩基施工时间，采用跳打方式，尽量减少对边坡的施工扰动。根据现场10个测斜孔的监测数据，加密桩基后测斜孔10m以下位移均在1mm以内，趋势稳定，表明桩间土层无滑坡趋势。
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