河岸沉积污染物清除过程中边坡稳定性分析

李文勇

(郓城县随官屯镇人民政府,山东 菏泽 274700)

位于我国东南部的部分河流被铅、汞和多环芳烃在内的多种化学物质污染，这种有害物质对人类的身体健康和生存环境构成了极大的威胁[1- 3]。因此，我们需要对该污染物质以沉积物的形式进行消除。初步的现场勘测报告表明，河道的边坡相对稳定。任何形式的沉积物移除都有可能致使边坡不稳定，进而发生失稳破坏。因此，在河道整治工程进行前需要详细的岩土工程勘察数据和边坡评估情况，以便为河道边坡提供所需的支撑保护[4- 6]。

1 研究区概况

研究区位于菏泽市旧城镇黄河段，目标河流宽约100m，以平缓的曲线由南向北流动。研究区主要分为三个区域:1区、2区和3区，具体如图1所示。

图1 总体站点布局

1区位于场地的南部，长约290m。该区域由陡峭的丘陵地形组成，且在多个位置有岩石露出。1区的典型剖面如图2所示，大部分河岸斜坡非常陡峭。最近的一次边坡破坏是从铁路坡道的边缘开始，一直延伸到河流的坡脚。此外，也有证据表明河岸在多个位置发生了河底侵蚀和坍塌。

图2 1区的典型横截面

2区位于1区附近的北部，与相对平坦的河流阶地沉积物相邻。该区域长约440m，其横截面如图3所示。该区域主要由工业区组成，工业区包括一个填充台阶和沿河岸的填充斜坡。

图3 2区的典型横截面

2区以北的3区主要由住宅区和公园区组成，该区长约320m，其横截面如图4所示。坡面主要分为三个部分，河坡、河岸和河岸线以上的区域。河岸的平均坡度约为3∶1，上坡坡度较平缓，平缓区域的宽度从3m到10m不等，住宅区距离河岸线约20m，河岸线放置了一些石头和混凝土块用来保护河岸不受侵蚀。

图4 3区的典型横截面

2 河床沉积物分析

通过岩土工程勘测，来识别土层中具有代表性的土壤参数，并用于边坡稳定性的评估。考虑了复杂的地形、地貌以及地质情况。制定了一个研究区土壤钻孔计划，包括岩石取芯和地球物理数据的测量。其中，为了表征河岸斜坡的土壤剖面情况，在河流中钻探了14个钻孔，在高地上钻探了16个钻孔。

对采集的土样进行直接剪切和固结不排水的三轴试验。直接剪切试验的法向应力荷载范围为70～120kPa，三轴压缩试验的压力范围为70～140kPa。此外，对收集的岩芯进行点荷载和无侧限抗压强度试验。

在1区南部的上斜坡观察到暴露的岩石，并用全球定位系统记录岩石的位置和状况。岩土工程勘测数据表明，研究区的土壤层情况变化很大，这在现实中场地的地貌和地形上也可以看出。2区基岩层较深，1区和3区的基岩层相对较浅。根据以上获得的数据，建立了地下模型，该模型反映了1区纵剖面的岩石情况。为了识别对边坡稳定性至关重要的深基岩区域，根据地下模型、钻孔数据和岩石裸露情况生成了岩层等高线图。1区纵向剖面图和岩层等高线图如图5所示。

图5 1区纵向剖面和岩层等高线图

总的来说，该区域主要由冰川沉积、河流冲积、和基岩组成。如图2所示，1区的堤岸由填料组成，下面是水平层状的腐泥土层，该层主要是页岩风化形成的，下面是石灰岩。填料由松散至中等密度的砂和砾石组成。风化的页岩极易发生边坡破坏，具有腐泥土层的区域易发生深层整体破坏。2区高地由冰川沉积组成，该沉积层包含淤泥和软砂质淤泥，沉积层下面为页岩。冰川沉积物的颜色为浅红棕色，具有轻微塑性至中等塑性，河边由非常软的砂质淤泥和冲积、沉积物组成。冲积、沉积层呈深灰棕色，具有轻微至中等塑性。类似地，3区的高地由粉砂、粉沙砾的冲积层和冰川沉积层混合组成。这些土壤较松散且密度中等，颜色为浅红棕色。河边土壤由非常软的冲积、沉积物组成，沉积物由淤泥和砂组成，下面是页岩层。

3 边坡稳定性计算

3.1 土壤性能分析

根据土壤钻孔数据和实验室测试情况，为每个部分选择初步的土壤参数。测试内容包括标准贯入试验、固结不排水三轴试验以及岩芯的无侧限压缩和点荷载试验。1区的流动性指数选择范围为0～-3，这表明土壤在受到扰动时不会发生较大的强度损失。

使用二维极限平衡分析，假设安全系数为1，以边坡现有的破坏情况为基础，对模型进行计算。此外，考虑到边坡的性能，对其他路段的土壤参数(图2、图3和图5)进行了改进。与此同时，在边坡上发现了浅层破坏的迹象，如倾斜的树木和滑塌情况。基于此次评估，得到了每个斜坡段的土壤参数，见表1。

表1 研究区土壤参数表

式中，γsat—饱和容重；γd—干容重；c′—有效内聚力；φ′—摩擦角。

3.2 河岸稳定性计算

本文采用的河岸稳定性计算模型是一种极限平衡分析，除了正孔隙水压力和负孔隙水压力外，该模型还考虑了分层土壤、基于含水量的土壤单位重量变化以及水流产生的外部围压。该模型将河岸剖面划分为最多5个具有独特岩土特性的水平层如图6所示。河岸安全系数(Fs)由以下等式给出：

(1)

图6 河岸水平土层划分

河岸失稳的驱动力由河岸高度和坡度、土壤单位重量和其中的水质量以及任何物体施加在河岸顶部的超载控制。阻力与驱动力之比通常表示为安全系数(Fs)，其中大于1的值表示稳定性，小于1的值表示不稳定性。计算采用Excel宏计算，对三个区域河岸稳定性进行计算，结果如图7—9所示，计算结果表明区域1—3的河岸安全系数Fs分别为0.99、1.28和2.10，其中区域1河岸处于临界状态，并且随时会发生崩塌，因此需要对其进行加固防护。

图7 区域1河岸稳定计算结果

图8 区域2河岸稳定计算结果

图9 区域3河岸稳定计算结果

4 河岸稳定性评价及加固方案设计

4.1 河岸稳定性评价

由于地形和地质的变化，为整个河道整治工程选择一种成本低且效益高的边坡稳定方法是不切实际的[7- 8]。因此，需要根据河流的具体情况进行选择，边坡稳定措施通常有板桩墙、组合墙、开挖和回填，除此之外还有土壤/岩石锚固，一般来说，锚固措施是不需要长期维护的非结构解决方案的首选。在这些措施中，较为经济的方法是对被侵蚀的岸坡进行临时翻耕，并利用植被覆盖的堆石进行重建[9]。这种方法仅在非林区可行，而且需要与土地所有者进行商谈。与此同时，重建的部分需要在现有条件下易于恢复才予以考虑。

由上节计算可知，区域1、2的河岸较为稳定，但是随着河势不断变化也存在一定风险并且这两个区域为居民区以及工业区为人类活动区域，因此对这两个区域的河岸定期进行坡度修整即可，而区域3的河岸处于临界状态，应作为重点防护对象，从地形图中可以看出，区域3的一部分可以采取回填替换方案。因此，为位于3区河岸线约90m的边坡选择了回填替换方案。对于该区域的其余部分，采用一种具有结构性的边坡支护方法。试验过程中发现，板桩支护失效。主要原因是由于边坡失稳面延伸地过于靠近基岩顶部，板桩无法在趾部提供足够的支撑力。

4.2 加固方案设计

加固桩已经被广泛用于稳定边坡中，该措施主要利用土的拱效应来对边坡进行加固和支护。如果岩石层较浅，加固桩必须钻入岩石中。考虑到加固桩之间的拱起会产生移动并导致边坡结构的损坏，且为了不造成安全隐患，在加固桩之间使用护板进而形成组合墙。由于组合墙和钢筋桩等临时支撑会随着时间的推移而发生腐蚀且强度会降低，因此需要采用一定的永久支撑。主要在河床中使用扶壁作为永久支撑，为清除沉积污染物的边坡提供支护。同样，持续的侵蚀可能会使组合墙暴露出来，这样会使河岸线显得不自然。为了河道周围的自然条件，建议将钢结构放置在地面以下，并填充抗侵蚀的材料。

为了减少组合墙安装时的钻孔数量，选择了较宽的中间板桩截面，将主桩之间的间距最大化，同时也为支护提供了所需的抗弯刚度。为了简化施工过程，加筋桩和组合墙的主桩采用了相同的截面形状和截面面积。具体布置情况如图10所示。

图10 3区组合墙和加筋桩的布置图

使用坡度/宽度对采用抛石置换的边坡进行评估，根据边坡稳定的极限平衡理论确定了边坡开挖的安全系数为1.25。为了恢复自然栖息地的原始面貌，河道边坡最终选择回填碎石和天然土壤来更换顶部的材料。由于替代的材料比原始土料具有更好的抗剪强度，因此，河道边坡的稳定性得到了一定程度的提高。图11为3区部分区域斜坡的典型剖面图，描绘了边坡采用抛石置换措施的横断面情况。

图11 3区采用抛石置换的边坡剖面图

由于施工现场的地形条件变化很大，为了使边坡稳定措施的设计和施工具有灵活性和可操作性且能够依据客户的要求缩短设计周期和施工周期，专门制定了基于实际情况的设计规范，其中包括岩土工程的结构和荷载要求。

5 结语

一般情况下，河道的边坡是相对稳定的，但是如果改变河道边坡的坡度，就可能造成边坡失稳，进而导致边坡发生破坏。为了安全合理地清除河道边坡中的沉积污染物并保证原有边坡的稳定，基于加固桩、组合墙等多种措施对施工工艺进行了改进和创新。研究设计的边坡支护方案虽然没有提高河道原始边坡的稳定性，但保持了其原有的状态，为污染物的安全移除和场地恢复提供了技术支持。