人工島穩定性影響因素分析

蔣敏敏 韓尚宇 方 偉

(1.河南工業大學土木建筑學院，河南鄭州 450001; 2.南昌航空大學土木建筑學院，江西南昌 330000; 3.中交上海航道局有限公司，上海 200002)

0 引言

柔性結構人工島是近年在我國開始使用的一種人工島結構，結構特點如下：外圍防護結構為袋裝砂結合塊體護面，底部為護底結構。人工島的穩定性直接關系到島上建筑物的穩定性，本文將主要分析海洋波浪、潮流、海冰和地震等因素對人工島穩定性產生的影響。

1 波浪的影響

波浪作用于人工島上，一方面波浪動力會直接作用于袋裝砂和護面塊體上，直接影響邊坡的穩定性;另一方面波浪作用于地基土體上，會對土體的性質產生影響，如砂土地基會發生液化、黏土地基的模量、強度會發生弱化等。

對于波浪作用的第一種形式，人工島會受到波浪的作用，波浪作用于人工島還會產生反射和折射等現象，因此人工島的存在也會對周圍的水流特性產生影響。波浪的特性如波高、周期、水深等會對人工島上的波浪力大小產生影響。柔性結構人工島主要是斜坡式的結構，波浪在斜坡上會發生爬坡、破碎，在人工島邊坡上產生水平荷載和傾覆力矩，當波浪荷載增大到一定程度會導致護面塊體被水流沖刷帶走，使得邊坡發生失穩。

波浪動荷載對土體力學性質的影響方面。對于砂土地基，波浪荷載的作用在地基內產生超靜孔壓，會使地基土體發生液化，而導致地基和人工島邊坡失穩，Ishihara提出砂土海床面液化條件：

其中，P0為波壓力;L為波長;σdc/2σ0為剪應力比;σv'為豎向有效應力。對于黏土地基，在波浪動荷載作用下會發生模量和強度的弱化，同時地基土體產生較大的變形影響著人工島邊坡的穩定性。

在分析中首先分析工程區域波浪特性，如繪出波高玫瑰圖，分析各個方向波浪的高度和發生的頻率，應用于穩定性分析中;波浪荷載作用下，地基發生液化或弱化，應考慮波浪動荷載的作用對土體參數產生的影響。

2 海洋潮流的影響

海洋潮流對人工島穩定性的影響主要體現在不同潮流水位的影響，在人工島邊坡穩定性分析中需要全面分析不同水位條件下的邊坡穩定性，考慮潮流水位影響的簡化畢肖普法的邊坡穩定性公式為：

在穩定性計算中應分析工程區域的不同設計條件下的潮流水位，根據設計水位條件分析人工島邊坡的穩定性，并考慮短時間內漲潮和落潮對邊坡穩定性的不利影響。

3 海冰的影響

渤海及以北的海上，在冬季會結冰，海冰對人工島施工和運行期的穩定性帶來了很大的影響，在冰排荷載的作用下，人工島邊坡會受到水平推力的作用，單位寬度海冰推力可表示為：

其中第一項為冰塊破裂產生的力，第二項為冰塊沿著斜坡爬升產生的力，通過分析發現當斜坡坡腳大于45°后冰荷載會顯著增大，因此人工島邊坡的坡度應小于45°。在工程分析中應根據代表性年份的實測冰期和冰荷載的大小，分析海冰對人工島穩定性的影響。

4 地震的影響

地震產生水平向和豎向的地震荷載，對人工島的邊坡穩定性產生不利影響。邊坡穩定性地震分析主要是基于擬靜力法進行的，考慮地震力的瑞典條分法表示為：

其中，Q，V分別為水平向和豎向地震力;Mc為水平向地震荷載引起的力矩。

5 結語

本文分析了對人工島穩定性產生影響的波浪、潮流、海冰和地震等因素。波浪的影響包括波浪與人工島的相互作用，以及波浪對地基土體的力學性質的影響;海洋潮流的影響體現在潮流水位對人工島穩定性的影響;海冰對人工島產生冰荷載會對人工島穩定性產生影響;地震動力增加了邊坡水平和豎向荷載，對人工島穩定性產生影響。

［1］ 俞聿修.斜坡式防波堤技術的新進展［J］.港工技術，1995(3)： 109-110.

［2］ 丁德文.工程海冰學概論［M］.北京：海洋出版社，1999.

［3］ 吳夢喜，樓志剛.波浪作用下海床的穩定性與液化分析［J］.工程力學，2002，19(5)：97-102.