CN106855637A - 水下边坡稳定性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水下边坡稳定性分析方法。该方法包括以下步骤：S1.收集目标区地质特征；S2.收集水下边坡冲淤动态特征；S3.通过文献资料和/或调访和/或现场勘测获得工程地质条件；S4.选取合适剖面，确定计算参数及公式；S5.分别根据S1、S2、S3、S4的结果，对水下边坡稳定性进行分析。本发明通过综合文献资料和现场勘测的数据资料，使得数据具有更高的可靠性；同时对水下边坡稳定性进行分析的内容较为全面，使得分析结果更具有针对性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，特别是一种水下边坡稳定性分析方法。
背景技术
位于浙江省舟山本岛南部海域的岱山岛南侧外长礁和狗头颈间已建有20万吨级原油码头，该20万吨级原油码头的东侧为本发明进行水下边坡稳定性分析的目标区。
该目标区位于舟山螺头水道的边坡上，水深自0米变化到60余米，坡度较大。前沿的螺头水道水流湍急，泥沙含量较高。该目标区西侧已建的20万吨级原油码头泊位在1991年11月沉桩施工中曾发生过滑坡倒桩事故。因此，对该目标区进行水下边坡的稳定性和冲淤动态分析具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种针对性强、可靠性高的水下边坡稳定性分析方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种水下边坡稳定性分析方法，包括以下步骤：
S1.收集目标区地质特征，包括地理位置、地质特征、地形地貌特征和水文泥沙特征；
S2.收集水下边坡冲淤动态特征，包括岸滩近期变化、海域近期地形变化、海域近期的冲淤动态状况和海域冲淤趋势；
S3.通过文献资料和/或调访和/或现场勘测获得工程地质条件；
S4.选取剖面，确定计算参数及公式；
所述选取剖面是指经过钻孔的剖面，剖面也同时穿过码头的设计管桩位置；
所述参数及公式根据《港口工程地基规范》(JTJ 250-98)，在土坡稳定性分析中的固结快剪强度指标；
S5.分别根据S1、S2、S3、S4的结果，对水下边坡稳定性进行分析，包括土体自重作用下边坡的稳定性、外部荷载作用对边坡稳定性的影响；
S1、S2、S3、S4的顺序按照实际情况调整。
本发明通过综合文献资料和现场勘测的数据资料，使得数据具有更高的可靠性；同时对水下边坡稳定性进行分析的内容较为全面，使得分析结果更具有针对性和可靠性。
作为优选，S1还包括：
S11.通过现场踏勘和资料分析，了解岸线变迁、潮滩剖面形态、潮滩物质组成和港址附近的自然环境特征；
S12.通过工程地球物理探测，获取基岩面以上的浅部地层资料。
作为优选，S1、S2中的特征数据分别由观测站观测、分析得到或者通过文献资料得到。
作为优选，S1中，水文泥沙特征包括波浪、潮汐、潮流、余流和工程泥沙，工程泥沙包括含沙量、输沙量、泥沙运移趋向和泥沙来源。
作为优选，波浪特征数据包括波浪周期、波高、浪向和造成大浪的主要因素，波浪特征数据由风资料推算得到。
作为优选，S3中，通过文献资料收集工程地质分层特征；通过工程地球物理探测进行现场勘测；并综合文献资料和现场探测资料后绘制浅部地层剖面综合解释图。
作为优选，工程地球物理探测包括单波束水深测量、浅地层剖面探测和单道地震探测。
作为优选，S5中，外部荷载包括地震荷载、波浪荷载、千吨级码头工程荷载。
作为优选，S5采用极限平衡分析方法，所述公式为简化Bishop法，并同时采用简化Janbu法和Morgenstern-Price法进行验证。
本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：
1、由于本发明采用简化Bishop法，并同时采用简化Janbu法和Morgenstern-Price法进行验证，因此计算结果具有更高的可靠性，进而分析结果具有更高的可靠性。
2、由于本发明考虑波浪周期性荷载对边坡稳定性的影响，具有较强的针对性。
3、由于本发明通过文献资料、调访和/或现场勘测的方式进行数据收集，保证了参考数据的可靠性和真实性，从而提高了分析结果的可靠性。
4、由于工程地球物理探测采用了单波束水深测量、浅地层剖面探测和单道地震探测，可以获得更全面测量数据，使得测量结果具有更高的参考价值，提高了分析结果的可靠性。
5、由于本发明的参考数据历时多年，范围较广，使得分析结果对未来边坡稳定性的预测可靠性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的目标区地理位置示意图。
图2为本发明的三维水下地形示意图。
图3为本发明的测验站位置示意图。
图4为1988～2005年等深线变化示意图。
图5为断面L3剖面地形变化示意图。
图6为断面L5剖面地形变化示意图。
图7为断面L7剖面地形变化示意图。
图8为断面L9剖面地形变化示意图。
图9为断面L11剖面地形变化示意图。
图10为L5剖面自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图11为L7剖面自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图12为L8剖面自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图13为L9剖面自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图14为L10剖面自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图15为L11剖面自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图16为L5剖面地震荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图17为L7剖面地震荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图18为L8剖面地震荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图19为L9剖面地震荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图20为L10剖面地震荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图21为L11剖面地震荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图22为波浪垂直于边坡传播时海底剖面受到的波压力示意图(假定压力垂直于坡面)。
图23为L5剖面波浪荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图24为L7剖面波浪荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图25为L8剖面波浪荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图26为L9剖面波浪荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图27为L10剖面波浪荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图28为L11剖面波浪荷载和自重作用下边坡稳定性分析结果示意图。
图29为L10剖面一个波周期内安全系数随时间变化示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明 并不局限于以下实施例。
实施例1：
一、收集目标区地质特征
(一)地理位置
如图1所示，目标区位于浙江省舟山本岛南部海域的岙山岛南岸。
岙山岛四面环水，交通运输主要为水路运输，其航线可达国内所有主要港口和国内外各大港口基地，水路运输条件优越。距舟山本岛约8km，与沈家门相距15km，距宁波北仑港约30km，至上海约200km。航道四通八达，20万吨级油轮经虾峙门航道可全天候通航，30万吨级油船减载可候潮出入。
(二)地质特征
根据文献资料，目标区位于舟山群岛南部的岙山岛南岸狗头颈的西侧水域。狗头颈以东陆域为低山丘陵区，出露岩层为上侏罗西山头组，岩性以酸性火山碎屑岩为主夹不稳定层状或透镜状火山沉积岩。海岸类型为基岩海岸，其下有宽窄不均的岩滩分布，狗头颈以西陆域有小范围海积平原，在人工围堤外沿有狭窄的潮滩分布，属于基岩港湾淤泥质海岸。
根据地质构造，地球物理场和地震活动特征，目标区归属舟山地震构造区。
舟山群岛断裂构造比较发育，且断裂构造在舟山群岛内部和邻近的区域通过，对舟山群岛的形成发育和构造格局直接有关。
舟山地震构造区，历史上虽无中强地震活动记录，有史记载的最大地震为1523年震海4.75级地震(以前将该地震定为5.5级)。但现代小震活动十分活跃，近20年来区内发生6次4级左右地震。
从构造活动、深部地质条件诸因素分析，舟山地区可判定为地震潜在危险区。
(三)地形地貌特征
目标区位于淤泥质边坡上，后缘为小型海积平原，现已建有人工围堤，东侧为向海突出的狗头颈岬角，西侧为已建成的20万吨级油码头。
如图1、图2所示，目标区东侧的等深线，受到狗头颈岬角影响而向SW方向突出，25-45m等深线呈SN向分布。在已建成的千吨级码头的后侧，0-5m的等深线向岸方向凸进，这是修建千吨级码头时，为避免滑坡，削坡所致。目标区的10-50m等深线则基本平行岸线呈EW向分布。目标区的南侧50m以深的坡底起伏不平，有多处残留的凸凹地，尤其是在目标区的东南角有一处水深浅于20m的凸起地形。
目标区水下边坡地形剖面呈“S”形，即坡度自岸边向外呈“缓→陡→缓”变化，0m以上的潮滩区，地形平缓，坡度小于1°，0-45m，坡度最陡，平均坡度超过18°，45m以深，坡 度变缓，坡度小于10°。详见图4至11。
特征：1、波浪
根据目标区地理位置及风资料推算，本区不易受外海波浪影响，波浪主要由本地区风所生成的风浪，岙山站的年平均周期仅2.2s，年最大周期为5.6s。全年平均波高0.1m，全年最大波高H1/10为0.7m，全年波高≥0.5m频率仅占1.8％。常浪向偏S，占全年72.5％，强波向为SE向。台风是造成本区特大波高的主要因素。
2、潮汐
目标区潮汐属不正规半日浅海潮汐类型，根据观测站为期15日的观测资料，潮汐特征值统计结果：
| 平均高潮位 | 3.75m |
| 平均低潮位 | 1.56m |
| 平均海面 | 2.66m |
| 平均潮差 | 2.18m |
| 平均涨潮历时 | 5h36m |
| 平均落潮历时 | 6h46m |
| 基面 | 岙山零面 |
3、潮流
根据观测站为期15日的观测资料，目标区潮流流速基本有大潮流速＞中潮流速＞小潮流速的分布规律，表层多强于底层，但随深度的增加，流速的减弱并非十分显著，仅在近底层有显著减弱。涨潮流速较强，落潮流速较弱，涨潮流基本呈偏西向(248°～300°)，落潮流呈偏东向(73°～101°)。但由于受地形、水深等因素影响，目标区东侧与西侧、近岸与远岸表现出显著的差异。涨潮流受狗头颈地形的影响，产生的顺时针向潮流涡旋在大、中潮汛期较为显著，故在S02、S03站呈落潮流速强于涨潮流的特征。目标区西侧(S01)及远岸区(S04)具有涨潮流历时(7～10h)长于落潮流历时(2～5h)的特征，目标区东侧(S03)及近岸区(S02)落潮流历时(6～8h)长于涨潮流历时(4～6h)的特征。
4、余流
余流为剔除周期性潮流后的一种定常流动。调和分析的结果显示，S01，S04站的余流值较强，大体在30cm/s左右，流向偏西；S02，S03站余流值较小，约在10--15cm/s左右，流向偏东。这种余流的分布特征可能对污染物的运移产生一定的影响。
5、工程泥沙
(1)含沙量
根据大、中、小潮期4个站次为期15日的实测资料计算统计，目标区海域的全潮垂线平 均含沙量为0.330～0.444kg/m3。
表3：目标区各站平均含沙量特征值(单位：kg/m3)
目标区海域含沙量分布变化具有如下主要特征：(a)垂向上由表层向底层递增，底层含沙量约是表层的1～2倍，泥沙再悬浮作用较弱；(b)平面上，无论大小潮，平均含沙量分布均匀；(c)表中底层、涨落潮期及全潮垂线的平均含沙量大潮期略大于小潮期。
(2)输沙量
该目标区海域净输沙强度具有平面和潮周期变化。
净输沙量在平面上有着较明显的变化，无论大潮期还是小潮期，横向上净输沙量目标区西侧(S01)大于东侧(S03)，纵向上净输沙量有由近岸(S02)向远岸(S04)增加的趋势。净输沙量的潮周期变化主要反映在大、小潮期的差异，测区各站的净输沙量大潮期比小潮期大2.7～10.9倍，这说明潮流动力变化对码头前沿海域泥沙运移起着重要作用。
表4:目标区各站单宽输沙特征值(输沙量：t/m.d，输沙方向：°)
(3)泥沙运移趋向
根据大小潮期净输沙方向分析，目标区海域泥沙运移方向大小潮期基本一致，大小潮期间目标区西侧与远岸以偏西向(260°～280°)为主输送，悬沙输运量大，目标区东侧与近岸以偏东向(76°～122°)，悬沙输运量较小。
根据以上潮流、余流及泥沙输运的特征，以及历史调查资料，由于“回流”作用，目标区西侧和远岸西向涨潮流流速特别强，历时也长，目标区东侧和近岸东向落潮流流速较小，历时也短，导致目标区及附近海区，明显存在逆时针方向泥沙环流。
(4)泥沙来源
目标区海域悬浮泥沙来源主要有三个：一是沿岸流输沙，长江口来沙是该海区悬沙的主要来源。二是内陆架沉积物的再悬浮，是该海区悬沙来源的补充。三是局部侵蚀调整的物质来源。目前，悬沙和细粒沉积物的来源，主要是沿岸流携带的长江入海泥沙。
二、收集水下边坡冲淤动态特征
(一)岸滩近期变化
码头后缘为油库基地，海塘为50年一遇的标准海搪。近16年来，塘外滩涂变化不明显，滩面上抛石区与泥滩界线在中潮低潮位时出露，滩宽(包括抛石区)50～80m左右，与1988年相比，除5#泊位后缘(图4中工作区)为避免土体滑坡进行人工削坡的区域滩面宽度缩小15～30m，其余部位相差甚微。
(二)海域近期地形变化
图4是1988～2005年间的水深变化对比结果，图中显示，目标区45m以浅等深线的形态轮廓均相似，局部有离分，但大部分地段接近甚至重合。变化相对较大的地段有二处：一是5#泊位千吨级码头后缘(图4中施工区)，根据等深线走势分析，2004年0m等深线向岸退缩了约15m，5m等深线退缩10m，10m等深线退缩5m。经调访，该区曾进行人工削坡，开挖深度约2～3m，与等深线向岸退缩相一致，说明2004年该处等深线局部变化是由开挖引起；另一处是码头前沿，水深45～55m的范围、形态轮廓相似，但大部分地段变化较大，估计与该区海域水深测点较少有关，同时也会有冲淤情况存在。
(三)海域近期的冲淤动态状况
目标区的海床冲淤变化分析主要采用1988年、2004年、2005年三个不同年份的较大比例尺的水深资料。
本次水深测量使用美国ODOM公司生产的ECHOTRAC MKⅢ双频回声测深仪。设立观测站， 进行潮位改正，水深基面采用岙山理论深度基准面。由于地形图对比的误差有定位误差、水深测量误差、潮位改正误差以及基准面校正误差等方面，因此，1988～2005年地形图的冲淤对比定量分析仅供参考。
根据1988、2004、2005年的水深资料，通过目标区5个断面的剖面地形对比分析(对比分析结果见图5～9，剖面位置见图2)。2004至2005年期间，目标区有冲有淤，以淤积为主，冲淤幅度0.3～0.8m。总体上，1988年至2004年目标区海域基本处于冲刷状态，2004年至2005年工程海域海床有冲有淤，但以微量淤积为主。
(四)海域冲淤趋势
目标区位于岙山岛南侧，其岸段属于基岩港湾淤泥质海岸，目前已被人工海岸替代(1988年已建成海塘)。其海岸线稳定，岸滩地形地貌条件未发生明显改变。目标区海域泥沙主要来源于长江入海泥沙随江浙沿岸流南移的细颗粒物质，但以过境物质为主，滞留或沉积量十分有限。从近期地形比对来看，该边坡未发生显著变动，维护了码头深水泊位的水深。
根据实测资料，大潮期目标区东侧和近岸出现落潮流占优势，但总体上以涨潮流占优势。垂向流速变化梯度不大，但近底层流显著的减小。含沙量分布大潮期略大于小潮期，垂向上由表向底层递增，底层含沙量是表层的约1～2倍，泥沙再悬浮作用较弱。
三、收集工程地质条件
(一)工程地质分层
根据文献资料可知，所揭露的地层可分为10个不同的土层，自上而下分述如下：
①素填土(Qml)：主要由块石、碎石组成，人工堆积而成。分布于海堤边。
②淤泥质粉质粘土(Q42m)：灰色，具水平层理，层理间夹粉细砂薄层，流塑。干强度中等，韧性中等，无摇振反应。
③淤泥质粉质粘土(Q42m)：灰色，含少量贝壳碎片，夹粉细砂团块，流塑。干强度中等，韧性中等，无摇振反应。
④粘土(Q4lal+m)：灰色，鳞片状构造，流～软塑。干强度高，韧性高，无摇振反应。
⑤粉质粘土(Q32al+1)：黄褐色，含铁锰质氧化物，可塑，干强度中等，韧性中等，无摇振反应。局部为粘土。
⑥粉质粘土(Q32m)：灰色，含少量腐植腐植质，软塑。干强度中等，韧性中等，无摇振反应。
⑦粉质粘土(Q311)：灰蓝色，夹灰白色条纹，可塑。干强度中等，韧性中等，无摇振反应。
⑧-1粉质粘土(Q311)：灰色，含少量腐植腐植质，软塑。干强度中等，韧性中等，无摇 振反应。
⑧-2粉质粘土(Q311)：灰蓝色，含少量腐植腐植质，可塑。干强度中等，韧性中等，无摇振反应。
⑨粉质粘土(Q3dl+el)：灰蓝色，含较多的中粗砂颗粒，可塑，局部硬塑。干强度中等，韧性中等，无摇振反应。
⑩-1晶屑熔结凝灰岩(J3)：灰绿色，主要矿物成分为石英、长石。节理裂隙发育，熔结凝灰结构，块状结构，岩芯呈块状，锤击易碎，强风化。
⑩-2晶屑熔结凝灰岩(J3)：灰绿色，主要矿物成分为石英、长石。节理裂隙发育，熔结凝灰结构，块状结构，岩芯呈柱状，中等风化。
(二)工程地球物理探测
1、浅地层剖面探测
本次探测使用美国Benthos公司生产的ChirpII浅地层剖面仪，换能器为拖曳式。浅地层剖面仪与导航定位系统相连，由导航定位系统向浅地层剖面仪输送定位信号，并按20m距离间隔打标。
浅地层剖面的探测深度最大在25m以上，依据剖面声反射特征，由海底面向下可分为A、B、C、R等四个层组。各层组声波反射特征及空间分布如图下：
A层：反射振幅强，连续性好，频率中等，微层理发育，层理均匀、连续，基本呈平行状，呈席状披复状，该层组底面模糊，由坡顶向坡底逐渐变薄，在基岩出露区和深水区缺失，为淤泥质海相沉积。力学性质差。
B层：层理不发育，底界面有时难以识别，产状上该层呈明显的顺坡披复与充填状，许多区段缺失，厚度变化较大。
C层：反射振幅强，但横向变化大，连续性差，反射较杂乱，无明显微层理发育，该层厚度变化很大，且许多地方未见底界面，从声反射特征上判断晚更统顶界面。
R层：顶界面为一个强反射界面，层内反射杂乱，为典型的基岩反射特征。基岩顶面及基岩埋深在区内变化很大，且较复杂。
2、单道地震探测
本次探测使用法国的SIG Sparker单道地震仪，由震源、水听器、能源箱和处理系统组成。单道地震处理系统与导航定位系统相连，由导航定位系统向处理系统输送定位信号，并按20m距离间隔打标。
同浅地层剖面仪相比，单道地震系统的震源能量更大，穿透深度更深。
单道地震探测厚度最大在70m以上，依据剖面声反射特征，由上至下可分为SA、SB、SC、 SD、SE、SF和R等七个层组，各层组声波反射特征及空间分布如下：
SA层：反射振幅强，连续性好，频率中等，微层理发育，层理均匀、连续，基本呈平行状，都呈席状披复状，该层组底面模糊，由坡顶向坡底逐渐变薄，在基岩出露区和深水区缺失。
SB层：反射振幅稍弱，连续性弱，层理发育不均匀，产状上该层呈明显的顺坡披复与充填状，厚度变化大。
SC层：该层顶界面清晰，起伏变化大，反射振幅强，但横向变化大，连续性差，发射杂乱，内部无明显微层理发育，该层厚度变化大。
SD层：反射振幅稍弱，频率偏低，层理发育，大致呈水平状，在狗头颈附近的部分区段，直接披复于基岩之上，连续性稍差。
SE层：发射振幅弱，连续性差，基本无层理发育，在狗头颈附近的部分区段，直接披复于基岩之上。
SF层：发射振幅强，频率中等，层理发育，多随下部地层起伏，大部分地区未探测到底界面，在狗头颈附近的部分区段，直接披复于基岩之上。
R层：顶界面为一个强反射界面，层内反射杂乱，为典型的基岩反射特征。基岩顶面起伏及基岩埋深在区内变化很大，且较复杂。
(三)浅部地层剖面解释图
综合岩土工程勘察、单波束水深测量、浅地层剖面探测和单道地震资料，绘制了浅部地层剖面解释图(如图4至11所示)。
四、选取合适剖面，确定计算参数及公式
(一)剖面的选取
边坡稳定性分析主要选择在水下边坡较陡的地段进行。在考虑分析剖面的时候，尽量选取经过钻孔的剖面，以提高分析的精度。为此考虑选择L5、L7、L8、L9、L10、L11剖面进行稳定性分析。在计算分析时，将水体作为不能抵抗剪应的特殊“土层”来处理，并采用最易导致边坡失稳的低水位面(岙山理论最低潮面)。
(二)计算参数的选取
依据《港口工程地基规范》(JTJ 250-98)，在土坡稳定性分析中，采用固结快剪强度指标。场地各层土的强度指标见表5：
表5：场地土的固结快剪强度指标
(三)计算公式的选取
《港口工程地基规范》(JTJ 250-98)推荐使用简化Bishop法进行稳定性分析，为了进一步验证稳定性分析的可靠性，同时采用Morgenstern-Price法(简称M－P法)和简化Janbu法来验证。
1、简化Bishop法
采用的公式如下：
式中，Fs－安全系数
ci－第i土条的凝聚力
－第i土条的内摩擦角
bi－第i土条的水平宽度
Wi－第i土条的重量
ai－第i土条底部倾角
Xi，Xi+1－第i土条两侧的切向条间力
ei－第i土条水平作用力的转动力臂
Qi－第i土条的水平作用力
R－滑动圆弧半径
式(5.1)中的Xi，Xi+1是未知的，为使问题得解，假定各土条之间的切向条间力均略去不计，式(5.1)可简化为：
2、简化Janbu法
假定土条间的切向力忽略不计，假设土条间的合力是水平的，由水平方向的力的平衡方程式求得初始安全系数F0，这种方法不满足力矩平衡。由每一土条的垂直方向力的平衡条件求得土条底部总法向力：
式中，Ni－第I土条底部总法向力
li－第I土条底部长度
Fo－初始安全系数，乘上一个修正系数f0后才为真正的安全系数
其余符号与式(5.1)同。
3、Morgenstern-Price法
M-P法不仅考虑了法向力和切向力的平衡，而且还考虑了每一土条力矩的平衡，分析精度比简化Bishop法和简化Janbu法的精度要高。该方法的平衡分析是建立在假设基底的力矩为零和土条底部上的法向和切向力的总和为零的基础上的，每一土条满足力矩平衡的微分方程式如下：
每一土条满足力的平衡的微分方程为：
上述两式中，X、E－土条的法向应力和切向应力
c、－土条的抗剪强度指标
y、yt－土条的滑裂线函数和推力线函数
上述两微分方程包含三个未知函数，E、X和yt，为求解上述方程须建立E和X之间的关系：
X＝λf(x)E (5.9)
式中λ为任意选择的常数，f(x)为x的函数。
五、水下边坡稳定性分析
(一)土体自重作用下边坡的稳定性
采用上述三种稳定性分析方法，对码头边坡在自重作用下的稳定性进行了极限平衡分析，码头边坡在自重应力作用下的稳定性分析结果见表6和图12～17，图中给出了由简化Bishop法计算出来最小安全系数和最危险滑动面。计算结果表明水下边坡在自重应力作用下，能够保持稳定，安全系数在1.120-1.347之间，最危险滑动面位于②层的底部，与③层土体相切。这主要是因为②层的土性较差，③层的土性相对较好的缘故。上述的结果也表明码头的边坡稳定性主要受②层土体的制约，而②层土体与边坡的冲淤变化密切相关。千吨级码头建成后，边坡处于上淤下冲的状态，这种冲刷状态导致了坡顶荷载的增加和坡度的增大，增大了失稳的风险。
(二)外部荷载作用对边坡稳定性的影响
1、地震荷载
采用拟静力方法来处理地震作用荷载。拟静力方法中，将地震产生的水平惯性力和垂直惯性力直接作用在土条的中心位置，用下式表示：
Fh＝khW
Fv＝kvW (5.10)
式中，Fh－为地震产生的水平惯性力
Fv－为地震产生的垂直惯性力(在土坡稳定性分析中通常不考虑)
kh－水平地震影响系数，由地震峰值加速度经修正后得到
kv－垂直地震影响系数，由地震峰值加速度经修正后得到
根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)场地土类型为软弱土，场地类别为III类，地震反应谱特征周期为0.45s。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)，地震动峰值加速度为0.1g，相当于地震基本烈度VII度。又根据《水运工程抗震设计规范》(JTJ225-98)，目标区的水平向地震系数取0.1。在没有动力试验条件时，可选用固结快剪强度指标进行分析。计算结果见表6和图18至23。计算结果表明，在设计地震烈度的地震荷载作用下，自然边坡的安全系数在0.967-1.129之间，属于极限平衡状态，有可能因地震触发失稳，地震荷载使边坡的安全系数降低了约16％。最危险滑动面同样位于②层的底部，与③层 土相切。
表6：地震荷载和自重应力作用下极限平衡计算结果
2、波浪荷载
采用微幅波理论，将波浪产生的荷载直接作用在边坡的坡面上，考察不同时刻的波浪荷载作用下的边坡安全系数的变化。不考虑波浪荷载作用下土体孔压的变化，采用总应力分析方法来进行稳定性分析。
根据微幅波理论，水体中的动压力可由下式表示：
当z＝－h时为海底面压力，即
其中ρ＝水的密度；g＝重力加速度；H＝波高；k＝波数；σ＝角频率；h＝水深。
当波浪垂直边坡传播时，波浪对海底产生的压力受时间、水深和波浪要素影响，必须通过对不同时刻波浪作用下水下边坡安全系数的比较，确定最小安全系数。对于一个周期为5s的波浪，同一周期内不同时刻海底所受到的压力见图22。
基于以上波浪荷载的考虑，采用上述的极限平衡法进行波浪作用下的稳定性分析。
边坡剖面以及土层参数均与前面一致。波浪参数取H1/3＝3m，T＝5.5s，波长采用微幅波理论计算公式：
波浪破碎带外，不考虑波浪的变形，波高保持不变，破碎带内，波浪发生破碎，能量损失，辐射应力沿程减小，引起增水现象，为简单起见，仍采用微幅波理论计算波浪对海底产生的压力。破碎后的波高用下式近似表示：
式中，Υ为比例常数，为增水高度。
在波周期内取6个不同时刻，计算边坡安全系数，并将结果与无波浪动荷载作用下的结果作比较，见表7和图24至29。
表7：波浪动荷载作用下不同时刻极限平衡计算结果
根据表7，可以发现波浪作用下在特定时间还可能提高边坡的安全系数，又鉴于对边坡的影响因素都比较小，因此认为一般情况下本地区可以不考虑波浪对海底边坡的作用。
3、千吨级码头工程荷载
总体上来说，码头荷载会对边坡的稳定性产生不利的影响，但桩基的存在，又会提高边 坡的稳定性。
对目前水下边坡冲淤动态分析表明，千吨级码头建成后，水下边坡处于上淤下冲的状态，水下边坡上部的淤积会导致坡顶荷载增加，下部的冲刷会导致边坡坡度增大，下滑力增加，这对水下边坡的安全性会产生不利的影响。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种水下边坡稳定性分析方法，其特征是，包括以下步骤：
S1.收集目标区特征，包括地理位置、地质特征、地形地貌特征和水文泥沙特征；
S2.收集水下边坡冲淤动态特征，包括岸滩近期变化、海域近期地形变化、海域近期的冲淤动态状况和海域冲淤趋势；
S3.通过文献资料和/或调访和/或现场勘测获得工程地质条件；
S4.选取剖面，确定计算参数及公式；
所述选取剖面是指经过钻孔的剖面，剖面也同时穿过码头的设计管桩位置；
所述参数及公式根据《港口工程地基规范》(JTJ 250-98)，在土坡稳定性分析中的固结快剪强度指标；
S5.分别根据S1、S2、S3、S4的结果，对水下边坡稳定性进行分析，包括土体自重作用下边坡的稳定性、外部荷载作用对边坡稳定性的影响；
所述S1、S2、S3、S4的顺序按照实际情况调整。
2.根据权利要求1所述的水下边坡稳定性分析方法，其特征是：所述的S1还包括：
S11.通过现场踏勘和资料分析，了解岸线变迁、潮滩剖面形态、潮滩物质组成和港址附近的自然环境特征；
S12.通过工程地球物理探测，获取基岩面以上的浅部地层资料。
3.根据权利要求2所述的水下边坡稳定性分析方法，其特征是：所述的S1、S2中的特征数据分别由观测站观测、分析得到或者通过文献资料得到。
4.根据权利要求1所述的水下边坡稳定性分析方法，其特征是：所述的S1中，所述的水文泥沙特征包括波浪、潮汐、潮流、余流和工程泥沙，工程泥沙包括含沙量、输沙量、泥沙运移趋向和泥沙来源。
5.根据权利要求4所述的水下边坡稳定性分析方法，其特征是：所述的波浪特征数据包括波浪周期、波高、浪向和造成大浪的主要因素，波浪特征数据由风资料推算得到。
6.根据权利要求1所述的水下边坡稳定性分析方法，其特征是：所述的S3中，通过文献资料收集工程地质分层特征；通过工程地球物理探测进行现场探测；并综合文献资料和现场勘测资料后绘制浅部地层剖面综合解释图。
7.根据权利要求6所述的水下边坡稳定性分析方法，其特征是：所述的工程地球物理探测包括单波束水深测量、浅地层剖面探测和单道地震探测。
8.根据权利要求1所述的水下边坡稳定性分析方法，其特征是：所述的S5中，外部荷载包括地震荷载、波浪荷载、千吨级码头工程荷载。
9.根据权利要求1所述的水下边坡稳定性分析方法，其特征是：所述的S5采用极限平衡分析方法，所述公式为简化Bishop法，并同时采用简化Janbu法和Morgenstern-Price法进行验证。
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