張智泰

摘要：針對(duì)航道的邊坡特點(diǎn)和航道運(yùn)行要求，文章通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)航道水位變動(dòng)區(qū)邊坡錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)在靜態(tài)荷載和動(dòng)態(tài)水流情況下的工程性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并給出了航道邊坡錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議。研究成果可為航道邊坡錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：航道；邊坡；錨桿；支護(hù)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U617.8 A 04 009 2

0 引言

航道邊坡作為開挖航道的重要組成部分，其穩(wěn)定性對(duì)于航運(yùn)安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。平陸運(yùn)河欽江城區(qū)段航道工程位于青年樞紐以下，屬感潮河段，航道護(hù)坡受潮水和洪水的雙重作用，航道邊坡位于水位變動(dòng)區(qū)域，在荷載、水流、波浪等多重作用下極易發(fā)生側(cè)滑、坍塌等不穩(wěn)定現(xiàn)象，威脅著船舶的航行安全，而錨桿支護(hù)作為一種有效的工程手段被廣泛應(yīng)用于邊坡的穩(wěn)定性支護(hù)結(jié)構(gòu)上。

1 概述

1.1 航道水位變動(dòng)區(qū)邊坡的特點(diǎn)

航道邊坡是河流、運(yùn)河或港口等水域中的岸坡，其特點(diǎn)在于其處于水體與陸地之間的過(guò)渡地帶，承受著水流、波浪等多種水動(dòng)力作用。這使航道邊坡面臨一系列工程挑戰(zhàn)。（1）水流的沖刷和波浪的沖擊會(huì)導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)侵蝕和失穩(wěn)，增加了岸坡的崩塌風(fēng)險(xiǎn)；（2）不同水動(dòng)力因素的變化會(huì)使邊坡面臨不斷變化的受力情況，使支護(hù)結(jié)構(gòu)需要適應(yīng)不同工況下的力學(xué)特性。此外，航道邊坡的水下部分由于可能受到船舶錨泊、航行等活動(dòng)的影響，對(duì)邊坡穩(wěn)定性提出了更高的要求。

1.2 錨桿支護(hù)技術(shù)的基本原理

在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中，將錨桿預(yù)先錨入土體中，通過(guò)兩者之間的摩擦力和粘結(jié)力，使錨桿與土體之間形成一個(gè)連續(xù)的力傳遞通道。這樣，外部施加在結(jié)構(gòu)物或土體上的荷載將通過(guò)錨桿逐級(jí)傳遞到深層穩(wěn)定土體中，從而分散和減輕荷載對(duì)邊坡的影響，提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

同時(shí)，錨桿支護(hù)技術(shù)還利用了桿體的拉力和土體的側(cè)向抵抗。當(dāng)外部荷載作用于結(jié)構(gòu)物或土體時(shí)，錨桿內(nèi)部產(chǎn)生拉力，這種拉力可以通過(guò)錨桿的自身強(qiáng)度和錨固長(zhǎng)度來(lái)承擔(dān)一部分荷載，土體的側(cè)向抵抗也會(huì)在一定程度上減輕結(jié)構(gòu)物或土體受到的荷載作用。通過(guò)合理設(shè)計(jì)錨桿的數(shù)量、位置和布置，可以最大限度地發(fā)揮錨桿支護(hù)作用，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的效果。

2 平陸運(yùn)河欽州城區(qū)段航道邊坡運(yùn)行條件

平陸運(yùn)河欽州城區(qū)段航道工程沿線利用河段主要為欽江。青年水閘以下走廊區(qū)屬欽江河口三角洲平原，兩岸地形平坦，穿越欽州城區(qū)，現(xiàn)狀岸坡多以斜坡式護(hù)岸、半直立式護(hù)岸為主，東西兩岸大部分已形成濱水景觀帶。因此新建航道護(hù)岸以斜坡式護(hù)岸為主，邊坡高度在15～20 m。護(hù)岸運(yùn)行受洪水、降雨、潮水等多重作用且水位變動(dòng)較大，其中多年平均潮位0.66 m，歷史最高潮位3.98 m，歷史最低潮位-2.39 m，50年一遇（沿程）洪水位7.71～5.12 m。

3 試驗(yàn)材料與方法

3.1 試驗(yàn)材料選取與特性分析

本試驗(yàn)根據(jù)正在實(shí)施的平陸運(yùn)河欽州城區(qū)段航道工程典型地質(zhì)條件，進(jìn)行試驗(yàn)材料選取。試驗(yàn)材料及特性見(jiàn)表1。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表2。

3.3 試驗(yàn)與數(shù)值模擬

3.3.1 試驗(yàn)方法

本研究采用試驗(yàn)方法以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，分析航道邊坡錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的性能影響因素。

3.3.1.1 樣本制備與支護(hù)結(jié)構(gòu)搭建

選擇代表性的巖石和土壤樣本，根據(jù)實(shí)際情況制備樣本。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，搭建支護(hù)結(jié)構(gòu)，模擬航道邊坡實(shí)際工程中的情況。

3.3.1.2 靜態(tài)加載試驗(yàn)

使用靜態(tài)加載裝置對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加不同荷載，以模擬不同工況下的靜態(tài)荷載作用。記錄荷載施加時(shí)的位移和變形響應(yīng)，獲得荷載-位移曲線。

3.3.1.3 動(dòng)態(tài)水流試驗(yàn)

通過(guò)模擬不同水動(dòng)力條件，測(cè)量邊坡在水流作用下的位移、變形和受力情況，以探究水動(dòng)力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

3.3.2 靜態(tài)荷載數(shù)值模擬

由圖1可知，在荷載作用下，荷載-位移曲線可能呈現(xiàn)出近似線性的階段，這表示樣本受到較小的荷載。在這個(gè)階段，材料的位移與施加的荷載之間存在線性關(guān)系，這表明材料的剛性較高。從圖1中未看到拐點(diǎn)或彎曲，這表明材料未進(jìn)入非線性變形階段。拐點(diǎn)越早出現(xiàn)，表示材料強(qiáng)度越低，容易發(fā)生破壞；若拐點(diǎn)出現(xiàn)在荷載較高時(shí)，則表示材料相對(duì)較堅(jiān)硬，需要更大的荷載才能引起破壞。

3.3.3 水動(dòng)力荷載影響分析

水動(dòng)力荷載影響分析如圖2所示。

由圖2可知，在水流速率增加的情況下，邊坡位移和變形會(huì)逐漸增加。表明水動(dòng)力荷載會(huì)削弱邊坡的穩(wěn)定性，需要在設(shè)計(jì)中考慮加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，以降低水動(dòng)力荷載帶來(lái)的影響?；诜治鼋Y(jié)果，當(dāng)水流速率較高時(shí)，建議通過(guò)增加錨桿數(shù)量、調(diào)整布置等措施獲得更牢固的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以保持邊坡的穩(wěn)定。這需要針對(duì)不同水流速率制定不同的支護(hù)方案。

依據(jù)上述靜態(tài)加載試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)水流試驗(yàn)成果，對(duì)水位變動(dòng)區(qū)護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，提出邊坡水流壓力值，如表3所示。

4 航道邊坡錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議

（1）邊坡上、中、下不同的位置建議設(shè)置不同的錨桿。

結(jié)合靜態(tài)荷載分布情況，建議將垂直錨桿布置于邊坡的上部和中部，將上部荷載有效地傳遞到錨桿上，分散荷載，減輕邊坡的壓力，從而提高邊坡的整體穩(wěn)定性。針對(duì)邊坡下部，設(shè)置水平錨桿以降低側(cè)向荷載的作用力和傾覆作用，進(jìn)一步增強(qiáng)支護(hù)效果。在水動(dòng)力荷載較強(qiáng)的區(qū)域增加水平錨桿數(shù)量，提供更強(qiáng)的邊坡抗沖刷能力，防止水流沖刷和侵蝕。

（2）建議錨桿布置方案應(yīng)充分考慮地質(zhì)特征對(duì)支護(hù)的影響。

在易崩塌的地層，通過(guò)減小錨桿之間的間距，增加支護(hù)的緊密性，有效地增強(qiáng)邊坡的抵抗能力。此外，對(duì)于土壤較松散的區(qū)域，進(jìn)一步減小錨桿的間距，以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠緊密地固定地面，抵御外部力。

（3）建議合理確定錨桿的深度和角度。

錨桿深度和角度的合理確定直接影響著支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)邊坡的坡度和地層特點(diǎn)，確定垂直錨桿的埋深，可以增加錨桿的抗拉能力，有效地抵御上部荷載。水平錨桿的角度應(yīng)根據(jù)地層的傾斜情況來(lái)選擇，以確保其能夠有效地抵御側(cè)向力，提供側(cè)向穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)航道水位變動(dòng)區(qū)邊坡特點(diǎn)和航道運(yùn)行要求，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)航道邊坡錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)在靜態(tài)荷載和動(dòng)態(tài)水流情況下的工程性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出護(hù)坡支護(hù)結(jié)構(gòu)受水動(dòng)力荷載設(shè)計(jì)值及錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議。本研究的成果對(duì)于航道邊坡錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)際工程應(yīng)用具有重要意義，同時(shí)也為平陸運(yùn)河欽州城區(qū)段航道工程邊坡的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了有價(jià)值的思路和方法。

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收稿日期：2023-09-10