張林海，陳巍博

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

引 言

目前國內水運行業(yè)在具體設計航道疏浚邊坡時，采用的方法是根據航道疏浚邊坡土質情況查詢相關規(guī)范選定航道疏浚邊坡，其取值一般由工程技術人員經驗確定。目前，通過巖土穩(wěn)定分析航道疏浚邊坡方面的工作不多，且在穩(wěn)定分析過程中不考慮波浪作用，其結果往往要遠遠高于規(guī)范要求的數值，計算結果達到 2.0、5.0，甚至超過 10.0，即使作為驗證和參考意義也不大。

本文以連云港港30萬t級航道一期工程徐圩航道為例，分析波浪作用下航道邊坡穩(wěn)定性。在疏浚邊坡觀測的基礎上，提出一種定量化設計淤泥質淺灘航道邊坡的可行方法。

1 依托工程概況及自然條件

1.1 工程概況

本文依托徐圩10萬t級航道工程，航道設計底高程-13.5 m，超深0.3 m，試驗邊坡為里段1：7，外段1：10。航道平面布置見圖1。[1]

1.2 波浪情況

根據徐圩海洋站2010～2012年波浪資料，其統(tǒng)計分析結果如表1。

1.3 工程地質

本次航道開挖主要涉及土質為淤泥，場區(qū)鉆孔均有揭露，淤泥層底部10～20 cm含10 %～50 %左右直徑約10～90 mm的鈣質結核物。[2]

圖1 航道平面布置示意

表1 徐圩海洋站各向波高頻率統(tǒng)計（2010～2012年）

2 海床所受波浪力

波浪對于航道邊坡穩(wěn)定性的影響不僅局限于邊坡表面之上。波浪還會引起海床下土層中孔隙水壓力在時間和空間上的不均勻分布，使得土層中的有效應力發(fā)生變化，從而導致航道邊坡的抗剪能力和承載力發(fā)生變化，對航道邊坡的穩(wěn)定性產生影響。

目前，我國水運行業(yè)設計規(guī)范中，僅考慮建筑物直接傳遞給土層的波浪荷載，而不計海床面上的波浪壓力和海床中的附加孔隙水壓力。[3]一般海床所受由波浪引起的作用力有以下四種：1）波浪引起的底壓；2）由底壓引起的海床應力；3）海床的瞬時孔隙水壓力；4）海床的殘余孔隙水壓力。將土體合理簡化成多孔彈性體，以Biot固結理論為基礎可推導出的以下所列公式上述波浪作用力。以往的研究表明，波浪動載下將海底土視為彈性體進行分析，能滿足工程需求。[4]

2.1 波浪引起的底壓

使用線性波理論。假設波高與水深相比很小，海床堅硬不滲透。此時，由波浪產生的底面波壓力為：

式中：p0為壓強；x為相對波浪節(jié)點的水平坐標；L為波的長度；T為波周期；t為時間。

壓強p0可以用下列式子表示：

式中：H為有效波高；γw為水的重度；h為水深。

2.2 由底壓引起的海床應力

將海床視為半無限均質彈性體，應力值可以從伯努利二階平面應力方程中得到。豎向應力σv、水平應力σh和剪應力τvh的計算式如下：

式中：p0為壓強；z為泥面以下的距離；x為相對波浪節(jié)點的水平坐標；k=2π/L，L為波長；t為時間；ω為循環(huán)頻率。

2.3 海床的瞬時孔隙水壓力

采用Biot固結理論，假設滲透系數是各向同性的，則孔隙水壓力幅值大小的表達式為：

2.4 海床的殘余孔隙水壓力

在波浪循環(huán)荷載作用下，航道邊坡穩(wěn)定性的影響分析要考慮殘余孔隙水壓力的產生和消散。對于一維的應力狀態(tài)，Seed和Rahman（1977）得出了下面的微分方程：[5]

式中：u為超孔隙水壓；CV為土的固結系數；φ為孔壓產生速率，粘性土由下式決定：

其中，A、B為經驗系數；W為周期應力水平（與破壞應力有關）；C為臨界周期應力水平（有經驗決定）；T為波浪周期。對于簡單實驗室試驗條件，周期應力水平定義如下。

單向三軸試驗：

雙向三軸試驗：

單剪試驗：

式中：qc為周期偏差應力；qf為靜態(tài)三軸壓縮試驗中的偏差破壞應力；τc為靜態(tài)單剪試驗中破壞時的水平剪應力。

式（7）的求解可以歸結為拋物型偏微分方程的初值問題，采用Crank-Nikson隱式格式求解。[6]

對于給定標準的波浪通過公式（1）～公式（12）可以完整地求解波浪在海床中的作用力。

3 超孔隙水壓力對抗剪強度的影響

循環(huán)荷載后初始不排水強度與產生的殘余孔隙水壓力有關。具體見公式（13）：[5]

式中：Suc為循環(huán)荷載后不排水抗剪強度；Su為靜態(tài)不排水抗剪強度；u+為循環(huán)荷載引起的殘余超孔隙水壓力，見2.4節(jié)；為初始有效約束壓力下的固結應力；CS為土的回彈或再壓縮指數；CC為土的壓縮指數。

4 徐圩港10萬t級航道邊坡穩(wěn)定性分析

本節(jié)以徐圩10萬t級航道S4+000樁號處的邊坡為例，分析其在波浪作用下的穩(wěn)定性。

4.1 物理力學指標

具體指標見表2[7]。

表2 土層物理力學指標

4.2 波浪標準

波浪數據參考2012年第10號臺風“達維”在江蘇陳家港登陸期間所測的波浪資料，根據現場實測波浪資料，徐圩海域受其強烈影響的時間約為6小時。具體波浪參數如表3所示。[8]

表3 波浪參數

4.3 計算結果

根據第2節(jié)中海床的超孔隙水壓力計算方法，上述波浪分別作用 1～6 h，海床產生的超孔隙水壓力如圖2所示?？梢姡敳ɡ俗饔脮r間超過3 h后，土體中的超孔隙水壓力將超過有效自重應力，土體將產生液化。液化時，根據公式（13），土體強度為 0，土體不再能承受循環(huán)剪應力，土體的超孔隙水壓力不再增長。因此當超孔隙水壓力超過有效自重應力時，超孔隙水壓力將不再增長，其分布如圖2實線所示。

圖2 不同階段超孔隙水壓力分布變化情況

各階段整體抗力分項系數結果見表 4。不考慮波浪作用和大浪作用6 h后最危險滑弧分別見圖3和圖 4。隨著波浪作用時間的加長，航道邊坡的穩(wěn)定系數減小。若土體不液化，整體穩(wěn)定安全系數降低的幅度不大，僅從1.5下降至作用3 h時的1.454。波浪作用3 h之后，土體出現液化區(qū)域，整體穩(wěn)定安全系數也出現較大下降。最危險滑動面從原先的通過淤泥層底面的大滑弧過渡到邊坡坡肩的小圓弧。

表4 整體穩(wěn)定計算成果

圖3 不考慮波浪作用穩(wěn)定情況

圖4 波浪作用6 h后穩(wěn)定情況

4.4 結果分析

根據2011年9月至2012年12月歷次現場邊坡觀測數據，徐圩航道在經歷“達維”臺風后，未發(fā)現有明顯坍塌現象，邊坡基本保持穩(wěn)定。[10]

結合邊坡穩(wěn)定分析結果，邊坡受大浪作用 6 h后整體穩(wěn)定抗力分項系數也達到1.27?？梢哉J為按本文方法驗算邊坡穩(wěn)定，當整體穩(wěn)定抗力分項系數達到1.25時，邊坡是穩(wěn)定的。

圖5 徐圩航道S4+000處歷次邊坡監(jiān)測情況

5 結 論

本文提出了一種考慮波浪作用的航道邊坡穩(wěn)定性計算方法，對徐圩航道10萬t級航道邊坡的穩(wěn)定性進行了分析驗算。并通過現場邊坡觀測，發(fā)現當整體穩(wěn)定抗力分項系數達到1.25時，航道邊坡是穩(wěn)定的。后續(xù)類似淤泥質淺灘航道工程的邊坡設計可按照如下步驟進行分析、優(yōu)化：

1）選取波浪標準和作用時間；

2）計算海床中波浪作用力；

3）按考慮波浪力的方法計算整體穩(wěn)定；

4）若整體穩(wěn)定抗力分項系數達到1.25則穩(wěn)定，否則重新設計邊坡坡度。

上述整體穩(wěn)定抗力分項系數控制標準值 1.25是徐圩10萬t級航道經過“達維”臺風考驗后的值，后續(xù)可繼續(xù)開展邊坡實測或室內試驗優(yōu)化穩(wěn)定抗力分項系數控制標準。