連云港港氧化鋁泊位圍堰邊坡穩(wěn)定性分析

劉強(qiáng) 曹師寶 康洪健 張盛行

摘 要：連云港港氧化鋁泊位北圍堰和西圍堰施工工藝不同，其銜接段受力狀況不明，地質(zhì)條件復(fù)雜，為掌握當(dāng)前圍堰安全穩(wěn)定性，通過地勘試驗(yàn)實(shí)測了土層物理力學(xué)指標(biāo)，并基于畢肖普法對(duì)典型斷面進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，兩類圍堰最危險(xiǎn)滑動(dòng)面均在塊石層中;各典型斷面滑塊滑動(dòng)中心和滑動(dòng)半徑較為接近，且均滿足規(guī)范穩(wěn)定性要求;在設(shè)計(jì)使用荷載和最終目標(biāo)荷載條件下，西圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)略小北圍堰。

關(guān)鍵詞：圍堰;邊坡穩(wěn)定;數(shù)值模擬;爆破擠淤

中圖分類號(hào)：U656.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）02-0098-03

爆破擠淤法是將一定深度里的淤泥通過爆破填石形成復(fù)合地基的一種方法，其施工速度快、效果好，且無需清淤 [1，2]。連云港港氧化鋁泊位后方堆場圍堰結(jié)構(gòu)型式為爆破擠淤拋石斜坡堤，其中北、東、南圍堰與西圍堰施工工藝不同，西圍堰外側(cè)有老防波堤無法進(jìn)行端爆施工，因此施工從內(nèi)側(cè)開始，先在內(nèi)側(cè)拋填一定寬度后再向北爆破推進(jìn)，在爆破拋填20m后，再進(jìn)行外側(cè)爆破加寬堤寬，內(nèi)外側(cè)依次循環(huán)爆破逐步成堤，西圍堰外坡采用施打塑料排水板加回填塊石處理并采用袋裝砂被壓坡;北圍堰直接從端爆開始，待北圍堰完成端爆后再進(jìn)行內(nèi)外側(cè)爆破，北圍堰內(nèi)外坡均為1：1.5，外坡扭王字塊體護(hù)面，內(nèi)坡鋪設(shè)砂被和土工布作為倒濾結(jié)構(gòu)，其中西堤與北堤三角區(qū)過渡段長38m。由于西圍堰與北圍堰施工工藝不同，位于北圍堰的銜接過渡段受力狀況不明，又因?yàn)樵摰貐^(qū)為淤泥質(zhì)海岸，地質(zhì)條件復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，因此為了確保圍堰結(jié)構(gòu)在使用過程中安全穩(wěn)定，有必要對(duì)該結(jié)構(gòu)段穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

目前，針對(duì)軟土地基邊坡穩(wěn)定性不少學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)研究，黃井武等[3]針對(duì)廣東沿海軟基堤壩分析了海堤失穩(wěn)原因及破壞機(jī)理;徐光明等[4]對(duì)軟土地基上堤防穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，通過物理模型試驗(yàn)探明了不同狀況下滑弧產(chǎn)生特點(diǎn);李賀青等[5]通過離心模型試驗(yàn)?zāi)M了換填拋石斜坡堤的穩(wěn)定性;賈愷等[6]針對(duì)軟土地基穩(wěn)定性分析提出了堤腳受沖刷情況下的整體穩(wěn)定性計(jì)算方法;在爆破擠淤圍堰邊坡方面，劉陽[7]針對(duì)防滲設(shè)計(jì)時(shí)如何利用爆破擠淤產(chǎn)生淤泥包的問題，進(jìn)行了防滲閉氣土穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究;張德恩[8]結(jié)合某石化碼頭圍堰工程項(xiàng)目，對(duì)工程場地土層地質(zhì)條件、圍堰處理方式的選取及斷面穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。目前關(guān)于爆破擠淤不同工藝邊坡的穩(wěn)定性研究尚少，本文采用有限元方法對(duì)西、北圍堰的銜接過渡段不同斷面進(jìn)行了安全狀態(tài)分析。

1 工程場地土層地質(zhì)條件

位于圍堰堆場拋填層下方土層通過鉆探進(jìn)行原位測試和室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[9]統(tǒng)計(jì)圍堰及堆場各主要土層物理力學(xué)指標(biāo)，拋填塊石物理參數(shù)依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》，取重度γ=19.6kN/m3，粘聚力c=10kPa，內(nèi)摩擦角φ=35°，各土層物理指標(biāo)如表1所示。

2 圍堰穩(wěn)定分析

2.1研究對(duì)象

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)圍堰的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。基于鉆孔勘探得到的圍堰各斷面形狀和土層分布情況，共設(shè)置5條斷面，斷面位置如圖1所示，1#斷面、4#斷面、5#斷面位于北圍堰處，2#斷面、3#斷面位于西圍堰處。

2.2有限元模型

《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]指出爆破擠淤堤宜采用簡化畢肖普法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，選擇畢肖普法作為穩(wěn)定性計(jì)算方法[12]。

幾何模型：依據(jù)實(shí)際工程勘察的鉆孔資料和工程地質(zhì)資料，計(jì)算邊界大小定義為80m×40m，左側(cè)邊界距坡腳20m，右側(cè)圍堰頂部寬度約50m，可以避免邊界效應(yīng)的影響，北圍堰坡比為1：1.5，西圍堰坡比1：1。

材料參數(shù)：北圍堰各斷面均以拋石層為主，從上至下各層分別為塊石、軟黏土和黏土，圍堰外側(cè)為淤泥層，5#斷面最內(nèi)側(cè)分布有少量粉土層;西圍堰各斷面淺層均以拋石層為主，從上至下各層分別為塊石、軟黏土和黏土，圍堰海側(cè)水平面以下為淤泥層，3#斷面最內(nèi)側(cè)分布有少量黏土（沖填土）層，相對(duì)于北圍堰，西圍堰塊石層厚度較小，海側(cè)淤泥層離坡腳較近。各層巖土體物理參數(shù)由原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)獲得（表1），各斷面深層厚度較小、離邊坡較遠(yuǎn)的土層對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響極小，因此在建模過程中進(jìn)行了簡化處理;模型中水位根據(jù)最低設(shè)計(jì)水位進(jìn)行計(jì)算，水位以下采用浮重度;巖土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型。

水位條件：考慮設(shè)計(jì)最低潮位（0.49m）為最不利水位情況（采用連云港零點(diǎn)）。

荷載設(shè)置：依據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[13]分別對(duì)堆場在設(shè)計(jì)使用荷載（10kPa）和最終目標(biāo)荷載（50kPa）兩種荷載工況下圍堰各斷面的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。

2.3計(jì)算工況

根據(jù)斷面位置和施加荷載情況設(shè)置10個(gè)工況，工況數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表2。

2.4計(jì)算結(jié)果

對(duì)圍堰不同工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到安全系數(shù)見表2，由計(jì)算結(jié)果可知：

（1）北圍堰在堆場設(shè)計(jì)使用荷載條件下，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面均在塊石層中，由于3個(gè)斷面邊坡要素和各土層分布較為類似，各斷面滑塊滑動(dòng)中心和滑動(dòng)半徑較為接近，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在1.9左右;在堆場最終目標(biāo)荷載條件下，各斷面滑動(dòng)中心和滑動(dòng)半徑也較為接近，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在1.7以上，均大于規(guī)范要求的最高值1.5，北圍堰安全穩(wěn)定。

（2）西圍堰在堆場設(shè)計(jì)使用荷載條件下，各斷面最危險(xiǎn)滑動(dòng)面均在塊石層中，由于2個(gè)斷面邊坡要素和各土層分布較為類似，各斷面滑塊滑動(dòng)中心和滑動(dòng)半徑較為接近，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在1.8以上;在堆場最終目標(biāo)荷載條件下，各斷面滑塊滑動(dòng)中心和滑動(dòng)半徑也較為接近，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在1.5以上，均大于規(guī)范要求的最高值1.5，西圍堰整體上安全穩(wěn)定。

（3）西圍堰相較于北圍堰坡比較大且工藝不同，因此西圍堰邊坡在設(shè)計(jì)使用荷載和最終目標(biāo)荷載條件下穩(wěn)定安全系數(shù)略小，滑動(dòng)半徑也較小。

3 結(jié)論

（1）連云港氧化鋁泊位西圍堰和北圍堰施工工藝不同，銜接段受力狀況不明，本文通過有限元方法對(duì)該結(jié)構(gòu)段進(jìn)行分析，結(jié)果表明北圍堰和西圍堰各典型斷面最危險(xiǎn)滑動(dòng)面均在塊石層中。

（2）西圍堰和北圍堰各斷面邊坡要素和土層分布較為類似，各斷面滑塊滑動(dòng)中心和滑動(dòng)半徑較為接近，各圍堰斷面的安全系數(shù)在1.5以上，滿足規(guī)范穩(wěn)定性要求。

（3）在設(shè)計(jì)使用荷載和最終目標(biāo)荷載條件下，北圍堰各斷面的安全系數(shù)在1.7以上，西圍堰各斷面的安全系數(shù)為1.5以上，西圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)略小于北圍堰，特別是在最終目標(biāo)荷載下的安全系數(shù)僅為1.56，因此后期運(yùn)營過程中要注意加強(qiáng)位移和沉降監(jiān)測，確保結(jié)構(gòu)安全。

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基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFC0407102）;中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng) （Y421006;Y421008; Y418005;）。