深厚軟土地基上新建煤場(chǎng)與海堤的最小安全距離分析

陳 亮

(華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200331)

深厚軟土地基上新建煤場(chǎng)與海堤的最小安全距離分析

陳 亮

(華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200331)

軟土在我國(guó)廣泛分布，其工程性質(zhì)極差。本文結(jié)合實(shí)際工程，運(yùn)用傳統(tǒng)極限平衡法和FLAC3D數(shù)值計(jì)算方法，綜合分析了深厚軟土地基上新建煤場(chǎng)大面積堆載對(duì)鄰近海堤地基穩(wěn)定性的影響，提出了煤場(chǎng)與海堤之間最小的安全距離。

軟土地基；最小安全距離；極限平衡法；FLAC3D。

1 概述

軟土在我國(guó)沿海一帶分布較廣，如渤海灣、天津、長(zhǎng)江三角洲以及浙江、福建等地的沿海地區(qū)都存在海相沉積的深厚軟土層，普遍具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性、高靈敏度和低強(qiáng)度等特性，工程性質(zhì)極差。

近年來我國(guó)沿海軟土地區(qū)建設(shè)了數(shù)量眾多的燃煤火力發(fā)電廠，為便于運(yùn)輸，其新建煤場(chǎng)布置往往緊靠廠區(qū)外側(cè)的海堤。由于軟土地基的性質(zhì)較差，當(dāng)煤場(chǎng)與海堤的間距過小時(shí)，煤場(chǎng)的大面積堆載作用可能會(huì)對(duì)海堤的地基穩(wěn)定性造成明顯的不利影響，而兩者間距過大時(shí)，則又會(huì)造成電廠建設(shè)用地的浪費(fèi)。針對(duì)這種現(xiàn)狀，對(duì)軟土地基進(jìn)行專門的穩(wěn)定性分析，提出新建煤場(chǎng)與海堤之間最小的安全距離是十分必要的。

本文以我國(guó)沿海某大型火力發(fā)電廠為例，通過對(duì)深厚軟土地基上新建煤場(chǎng)的大面積堆載對(duì)海堤地基穩(wěn)定性影響的分析，論述相應(yīng)的計(jì)算方法，供類似工程參考。

2 工程概況

本工程采用斜坡式土石混合堤結(jié)構(gòu)，南北向布置，軸線長(zhǎng)887m，按1級(jí)堤防工程設(shè)計(jì)，堤頂高程為6.5 m，堤頂寬度為8.0 m，海堤外坡采用1∶2.5復(fù)式斷面，內(nèi)坡采用1∶5，外海側(cè)采用細(xì)石混凝土灌砌塊石護(hù)面，結(jié)構(gòu)斷面后背采用土體閉氣并用無紡反濾布進(jìn)行反濾。該海堤已建成，建設(shè)時(shí)采用了分級(jí)堆載+插設(shè)塑料排水板加快排水固結(jié)的地基處理方法，現(xiàn)處于正常運(yùn)行期。

電廠新建煤場(chǎng)長(zhǎng)約580 m，寬約220 m，南北向布置。設(shè)計(jì)最大堆煤高度12 m，為保證煤場(chǎng)地基的穩(wěn)定性，擬采用分級(jí)堆載，煤堆休止角按46°考慮。海堤及新建煤場(chǎng)的剖面示意圖見圖1。

圖1 海堤、煤場(chǎng)剖面示意圖

3 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

工程場(chǎng)地所處地貌類型為低山丘陵和海灣灘涂，場(chǎng)地內(nèi)第四系海相沉積軟土層厚度變化較大，靠近山腳處約0 m～15.0 m，向大海方向逐漸變厚，海堤處軟土厚度普遍大于40 m。

場(chǎng)地內(nèi)主要地層的分布情況描述如下：

①填土：主要為電廠建設(shè)時(shí)回填的開山土石，松散～稍密，厚度約3.0 m～6.0 m。

②淤泥：流塑，夾少量腐植質(zhì)和貝殼碎屑，層厚約10.6 m～28.5 m。

④淤泥質(zhì)粘土：軟塑，含少量腐植質(zhì)及貝殼碎片，具片狀層理，層厚約4.4 m～23.0 m。

⑤2碎石土：中密，碎石粒徑4 cm～10 cm，少量大于10 cm，碎石成分為凝灰熔巖，含量50%～60%，碎石間充滿泥質(zhì)和砂礫，未膠結(jié)，層頂埋深約43.5 cm～53.0 m，層厚約3.8 m～17.0 m。

⑥2中等風(fēng)化凝灰熔巖：堅(jiān)硬，節(jié)理發(fā)育，巖芯呈短柱和碎塊狀。

根據(jù)本工程場(chǎng)地的地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，在50年超越概率10%情況下，場(chǎng)地地表水平峰值加速度為0.057 g，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為6°。

4 影響海堤地基穩(wěn)定性因素分析

地基土體結(jié)構(gòu)類型是穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。從本工程的地質(zhì)條件來看，場(chǎng)地內(nèi)分布有深厚的軟土層，其滲透性小，抗剪強(qiáng)度較低，工程性質(zhì)不良，在外部荷載及特定條件下，當(dāng)土體內(nèi)部某個(gè)面上的剪應(yīng)力達(dá)到或超過了它的抗剪強(qiáng)度時(shí)，原有的穩(wěn)定平衡遭到破壞，土體發(fā)生剪切變形，極有可能會(huì)引起軟土地基的大規(guī)模整體滑移。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，軟土地基破壞模式以圓弧滑動(dòng)為主。

顯然，影響本工程海堤地基穩(wěn)定性的內(nèi)在因素是深厚軟土及其不良工程性質(zhì)，而外在因素則是煤場(chǎng)的大面積堆載、潮水、地形及地震作用等。

5 海堤穩(wěn)定性計(jì)算與分析

5.1 計(jì)算工況

由于本工程海堤已處于正常運(yùn)行期，故不需進(jìn)行海堤施工期的整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算。按《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL435-2008)10.2.2條規(guī)定，僅需進(jìn)行正常運(yùn)用情況及非常運(yùn)用情況Ⅱ下的穩(wěn)定計(jì)算。另外，煤場(chǎng)的堆載能起到反壓海堤背海坡側(cè)坡腳的效果，對(duì)海堤內(nèi)側(cè)的穩(wěn)定性是有利的，故計(jì)算時(shí)只需考慮海堤臨海坡側(cè)的穩(wěn)定性即可，即可能滑動(dòng)面的剪出口位于海堤外側(cè)。

具體的計(jì)算工況及其水位組合見表1。

表1 計(jì)算工況及水位組合

5.2 安全系數(shù)

本海堤工程的級(jí)別為1級(jí)，按《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL435-2008)10.2.3條規(guī)定，采用瑞典圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行海堤整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，正常運(yùn)用條件下安全系數(shù)不應(yīng)小于1.30，非常運(yùn)用條件Ⅱ下安全系數(shù)不應(yīng)小于1.10。

5.3 計(jì)算參數(shù)

做抗滑穩(wěn)定性分析時(shí)，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可采用三軸抗剪強(qiáng)度、直剪指標(biāo)等，具體應(yīng)根據(jù)海堤的工作狀態(tài)和采用的計(jì)算方法選用不同的強(qiáng)度指標(biāo)。本文中各土層的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)是綜合地勘報(bào)告的實(shí)測(cè)結(jié)果和當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定的，并考慮到海堤下土體經(jīng)長(zhǎng)期排水固結(jié)，物理力學(xué)性質(zhì)有所改善，適當(dāng)提高了海堤下土體的計(jì)算參數(shù)，但總體上計(jì)算參數(shù)仍偏于保守。具體取值見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)

5.4 極限平衡法計(jì)算

⑴計(jì)算方法和原理

極限平衡法是邊坡穩(wěn)定計(jì)算中最廣泛采用的方法，它只需提供少量力學(xué)參數(shù)就能計(jì)算出邊坡設(shè)計(jì)需要的穩(wěn)定性指標(biāo)。本文針對(duì)地基的可能滑動(dòng)形式，采用瑞典圓弧滑動(dòng)法[2]進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 圓弧滑動(dòng)法計(jì)算簡(jiǎn)圖

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K按式1計(jì)算。

式中： K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W1i、W2i、W＇

2i、W＇3i為第i個(gè)土條浸潤(rùn)線以上的土體的天然重量、浸潤(rùn)線與外坡水位線之間的土體的飽和重量、浸潤(rùn)線與外坡水位線之間的土體的浮重量、外坡水位線以下的土體浮重量，kN；αi為第i個(gè)土條底面中點(diǎn)的徑向與豎直方向的夾角，(°)；φi、Ci為第i個(gè)土條底部土體的總抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，(°、kPa)。

⑵計(jì)算結(jié)果及分析

綜合分析場(chǎng)地的地層分布和海堤外側(cè)的地形情況，本文選取3個(gè)最不利的海堤斷面，按新建煤場(chǎng)與海堤的不同間距條件，對(duì)海堤臨海坡的穩(wěn)定性進(jìn)行反復(fù)試算。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)煤堆坡腳距海堤內(nèi)側(cè)堤腳9 m時(shí)，在水位降落工況下，3個(gè)剖面計(jì)算得到的最小安全系數(shù)均超過1.50，滿足不小于1.30的要求；而在地震工況下，3個(gè)剖面的計(jì)算得到的最小安全系數(shù)值均略大于1.10，較接近1.10，這說明此時(shí)煤場(chǎng)堆載對(duì)海堤穩(wěn)定性的影響達(dá)到規(guī)范要求的安全臨界狀態(tài)。3個(gè)剖面的計(jì)算結(jié)果見表3，典型1—1′剖面的計(jì)算滑面圖見圖3。

表3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖3 1—1′剖面大圓弧滑動(dòng)計(jì)算滑面圖(水位降落工況、地震工況)

從滑面圖可以看到，當(dāng)煤堆坡腳距海堤內(nèi)側(cè)堤腳9 m時(shí)，在水位降落工況下，滑動(dòng)面剪出口位置在-115 m～-160 m(以海堤臨海坡坡腳作為原點(diǎn)，靠海側(cè)取負(fù)值，下同)，滑動(dòng)面剪入口位置在130 m～150 m，即距煤堆坡腳30 m～50 m處；在地震工況下，滑動(dòng)面剪出口位置在-130 m～-180 m，滑動(dòng)面剪入口位置在130 m～150 m，即距煤堆坡腳30 m～50 m處。兩種工況下的滑動(dòng)面弧底埋深約-40 m～-50 m，位于基巖面以上的軟土中。

5.5 FLAC3D數(shù)值分析

⑴ 算方法和原理

考慮到本文探討的是巖土大變形問題，而FLAC3D程序在計(jì)算過程中允許材料發(fā)生屈服及流變，可以摸擬巖土的力學(xué)性能，尤其在彈塑性分析、大變形分析方面有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)海堤的變形和穩(wěn)定性做進(jìn)一步分析。

由于上述1—1′剖面涉及海堤外側(cè)水下地形最為復(fù)雜，相對(duì)2—2′、3—3′剖面而言，發(fā)生整體滑動(dòng)的可能性更大，故本次FLAC3D分析只針對(duì)1—1′剖面進(jìn)行，重點(diǎn)關(guān)注當(dāng)煤堆坡腳距海堤內(nèi)側(cè)堤腳9 m時(shí)，煤場(chǎng)堆載是否會(huì)造成超大規(guī)模的圓弧滑動(dòng)。

⑵計(jì)算模型

FLAC3D建模時(shí)，若模型嚴(yán)格與原始地形匹配，則單元剖分會(huì)過于精細(xì)，計(jì)算耗時(shí)太久，而對(duì)整體圓弧的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果則影響甚微，故本文建模時(shí)，適當(dāng)忽略一些細(xì)節(jié)的地形變化。具體的計(jì)算模型見圖4，計(jì)算模型中土層分組圖見圖5。

圖4 FLAC3D模型圖

圖5 FLAC3D土層分組圖

對(duì)圖4、圖5表示的計(jì)算模型說明如下：

①模型參數(shù)：x方向，海堤外側(cè)距離取150 m，海堤寬度取90 m，海堤內(nèi)側(cè)預(yù)留9 m(即煤堆坡腳到海堤內(nèi)側(cè)坡腳距離9m)，煤堆寬度取72 m；z方向，模型底部定義為0 m(坐標(biāo)原點(diǎn)在模型左下角)，模型最左側(cè)高48 m，模型局部最低處高46 m，海堤底面標(biāo)高60 m，海堤頂面標(biāo)高66.5 m，煤堆底面標(biāo)高63 m(煤堆堆高12 m，自設(shè)計(jì)場(chǎng)坪標(biāo)高3 m起算)，煤堆頂面標(biāo)高75 m；y方向，取3 m，以保證FLAC3D差分計(jì)算的精度。

②網(wǎng)格剖分：x方向3m，z方向2 m，y方向3 m，整個(gè)模型共劃分為3131個(gè)區(qū)域單元，6520個(gè)節(jié)點(diǎn)。

③邊界條件：模型左右側(cè)x方向約束，模型底部z=0處x、y、z三個(gè)方向約束，垂直紙面y方向約束。

④煤場(chǎng)堆載的模擬：煤場(chǎng)堆載是按分級(jí)加載進(jìn)行的，F(xiàn)LAC3D針對(duì)該種情形有兩種處理方式：分層堆載，一層層建實(shí)體單元(煤堆)的模型，或者用等量的荷載替代實(shí)體單元(煤堆)分批次作用于地基上，本文選用后一種方式模擬煤場(chǎng)的堆載。

⑤土體模型：土體本構(gòu)模型取摩爾-庫(kù)侖彈塑性模型，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)選取同極限平衡法。

⑶計(jì)算結(jié)果及分析

FLAC3D中判定潛在滑動(dòng)面存在的依據(jù)，有三類圖：位移矢量圖或位移云圖、剪切應(yīng)變率云圖、塊狀態(tài)圖。本文將煤場(chǎng)堆載前后的模型位移云圖和剪切應(yīng)變率云圖對(duì)比，以分析煤場(chǎng)堆載對(duì)海堤的影響。

煤場(chǎng)堆載前的模型位移云圖和剪切應(yīng)變率云圖見圖6和圖7。從圖6可以看出，煤場(chǎng)堆煤前模型位移最大值出現(xiàn)在海堤處，其主要原因是地基在海堤自重作用下產(chǎn)生了變形。從圖7可以看出，在屏蔽海底陡降坡處剪切變形較大的區(qū)域后，整個(gè)模型顯示出潛在的從海堤背水坡到海底陡降處的圓弧滑動(dòng)面，但其剪切應(yīng)變率在1E-9數(shù)量級(jí)，非常微小，說明煤場(chǎng)堆載前海堤是相當(dāng)穩(wěn)定的。

圖6 未堆煤前模型位移云圖

圖7 未堆煤前模型剪切應(yīng)變率云圖

煤場(chǎng)堆載后，由堆煤荷載造成的新增位移云圖見圖8。可以看出，雖然位移云圖顯示出模型存在超大圓弧滑動(dòng)面的可能，但新增的位移值量級(jí)在厘米級(jí)，說明當(dāng)煤堆坡腳距海堤內(nèi)側(cè)堤腳9 m時(shí)，海堤整體上仍是穩(wěn)定的。

圖8 堆煤后模型位移云圖

5.6 綜合分析

分析極限平衡法和FLAC3D數(shù)值模擬的結(jié)果，可以看出，雖然這兩種計(jì)算方法反映的滑動(dòng)面位置略有差異，但極限平衡法與FLAC3D中的潛在破壞面形式非常相似，F(xiàn)LAC3D數(shù)值分析結(jié)果對(duì)由極限平衡法得到的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果也做了較好的驗(yàn)證，因此綜合判定本工程新建煤場(chǎng)與海堤之間最小的安全距離取為9 m是合理的。

6 結(jié)語

在充分利用建設(shè)用地的基礎(chǔ)上，確保海堤的穩(wěn)定性對(duì)于沿海軟土地區(qū)的電力工程而言，是一個(gè)極其重要的課題。本文結(jié)合實(shí)際工程，運(yùn)用傳統(tǒng)極限平衡法和FLAC3D數(shù)值計(jì)算方法，分析了深厚軟土地基上新建煤場(chǎng)大面積堆載對(duì)鄰近海堤地基穩(wěn)定性的影響，提出了煤場(chǎng)與海堤之間最小的安全距離，對(duì)本工程建設(shè)起到了較好的指導(dǎo)作用，其計(jì)算方法對(duì)類似工程也有一定的借鑒意義。由于巖土工程普遍存在一定程度的不確定性，在類似工程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，應(yīng)盡量綜合運(yùn)用多種計(jì)算方法進(jìn)行定性和定量分析，以提高結(jié)論的可靠性。

[1]SL435-2008，海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2]黃求順，張四平，胡岱文．邊坡工程[M]．重慶：重慶大學(xué)出版社，2003．

[3]盧延浩．巖土數(shù)值分析[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2008．

Stability Analysis of Sea Dike In fl uenced by the Nearby Coal Yard Stowage on Deep Soft Clay Ground

CHEN Liang
(East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200331, China)

Soft clay is widely distributed in our country and its engineering properties are very bad. According the project sample, in this paper the traditional limit equilibrium method and FLAC3D are comprehensively used to analyze the stability of the sea dike on deep soft clay ground in fl uenced by the nearby new-bulit widespread coal yard stowage, the minimum safe distance between the coal yard and the sea dike is raised.

soft clay ground; minimum safe distance; limit equilibrium method; FLAC3D.

TU4

B

1671-9913(2011)01-0010-05

2010-09-07

陳亮(1979- )，男，江蘇啟東人，碩士，工程師，注冊(cè)土木工程師(巖土)。