圍堰安全穩定性分析及加固方案研究

摘要：基于廣州港南沙港區某碼頭工程的圍堰深層水平位移監測實例，對軟基圍堰的改進加固處理措施進行深入研究，采用Plaxis2D有限元軟件計算圍堰在疏浚吹填以及地基處理過程中的安全穩定性系數并進行判定，驗證反壓坡道加固方案確實能有效提高圍堰的安全穩定性；通過調整加固方案反坡護道高寬值計算圍堰安全穩定性系數，得出一個兼顧經濟性和穩定性的加固方案，建議反壓坡道的高度和寬度均采用5"m。

關鍵詞：深層水平位移"Plaxis2D"安全穩定性"加固方案

Analysis"of"Safety"and"Stability"of"Cofferdam"and"Research"on"Its"Reinforcement"Plan

LIU"Yahui1"LI"Rui2

1.Guangzhou"Port"Engineering"Management"Co.，"Ltd.，"Guangzhou，"Guangdong"Province，"510700"China;2.China"Design"Group"Co.，"Ltd.，"Nanjing，"Jiangsu"Province，"210014"China

Abstract："Based"on"the"monitoring"example"of"deep"horizontal"displacement"of"cofferdam"of"a"wharf"project"in"Nansha"Port"of"Guangzhou"Port，"this"article"conducts"in-depth"research"on"the"improvement"and"reinforcement"measures"for"soft"foundation"cofferdams."Using"Plaxis2D"finite"element"software"to"calculate"the"safety"and"stability"factors"of"the"cofferdam"during"dredging，"hydraulic"filling，"and"foundation"treatment"processes"for"judgment，"Verify"that"the"reinforcement"scheme"of"reverse"pressure"ramp"can"effectively"improve"the"safety"and"stability"of"the"cofferdam;"Calculate"the"safety"and"stability"coefficient"of"the"cofferdam"by"adjusting"the"height"and"width"values"of"the"anti"slope"guardrail"in"the"reinforcement"plan，"a"reinforcement"plan"that"balances"economy"and"stability"is"obtained."It"is"recommended"to"use"a"height"and"width"of"5m"for"the"counter"pressure"ramp.

Key"Words："Deep"horizontal"displacement;"Plaxis2D;"Safety"and"stability;"Reinforcement"plan

港口碼頭的基礎往往處于深厚淤泥區，吹填過程中軟基圍堰的安全穩定性問題是最基本的問題，與工程的進度、安全、質量等息息相關[1-3]。本文基于廣州港南沙港區某碼頭工程疏浚吹填及地基處理工程的圍堰深層水平位移監測實例，對軟基圍堰監測預警影響施工進度后的加固處理措施進行深入研究，采用Plaxis2D有限元軟件對圍堰在疏浚吹填以及地基處理過程中的穩定性進行判定，通過調整參數不斷改進加固方案，總結出一個能兼顧穩定性和經濟性的最優方案。

1工程概況

本項目位于廣州市南沙區，圍堰采用充填砂袋結構，坡度為1∶1.5，陸域形成方法采用港池疏浚土進行吹填，地基處理方法采用真空聯合堆載預壓法。由于原狀軟土指標差，圍堰邊坡在場地內施工的過程中經常處于安全穩定極限臨界狀態，任何額外附加荷載均容易造成邊坡失穩，因此，吹填堆載過程和真空聯合堆載預壓中必須進行深層水平位移監測嚴格控制堆載速率和抽真空速率，同時也可以采取圍堰邊坡加固措施提高圍堰穩定性，使堆載能夠順利進行。采用埋設測斜管的方法監測土體的水平位移，目的就是為了監測圍堰下部土體不同深度處的水平位移，為圍堰后方吹填堆載高度和堆載速率控制提供指導。

在吹填堆載和真空聯合堆載預壓施工過程中，圍堰邊坡在回填施工及水位影響下，產生了一定程度的滑移，期間水平位移速率多次超過預警值，嚴重影響施工進度，為保證圍堰能順利進行，必須對其進行加固處理。由于圍堰邊坡的滑動面主要分布在圍堰下部至淤泥層，改變邊坡的坡率對邊坡穩定性影響效果不大，綜合考慮現場實際情況和施工設備，決定采取反壓護道的加固措施。

2"Plaxis2D軟件滲流穩定分析的基本理論

2.1"滲流計算理論

Plaxis2D程序與一般有限元軟件做法一致，在滲透分析過程中，認為土體中孔隙水流動符合Darcy定律[4-5]。Plaxis2D程序不同之處在于，在滲流分析中對材料滲透系數引入了一個折減系數Kr，則穩態、瞬態分析對應的Darcy定律控制微分方程變成如下形式[6]。

式（1）中：H為總水頭；Q為邊界流量；kx和ky為滲透系數；mw為比水容重；ρw為水的密度。

2.2"穩定安全系數的計算方法

在Plaxis2D有限元軟件中采用強度折減法（安全性計算）進行穩定性分析，計算結構的安全系數。計算時當土體達到破壞的極限狀態時，本身具有的強度參數值的大小與相應極限狀態強度值的比值，即為安全系數。在程序中，其表達式為

式（2）中：c、φ為原狀土的強度參數；c’、φ’為經過折減后土體的強度參數。

3現場深層水平位移監測情況

3.1"未采取加固措施

CX-01～CX-10測斜孔未采取圍堰邊坡加固措施，CX-03測斜孔繪制累計深層水平位移曲線如圖1所示。

由監測數據可知，圍堰在吹填堆載施工期間，整體水平位移累計值的最大值為35.2"mm，發生位置在8"m深度處，為圍堰底部，說明此處存在滑動面或潛在滑動面，圍堰穩定性較差；最大水平位移速率達到7.5"mm/d，發生時間在吹填堆載施工后期，此時最易發生滑移預警，圍堰邊坡處于不穩定狀態，嚴重影響施工進度。

3.2"采取反壓坡道加固措施

后續圍堰采用反壓護道的加固方案，對加固后的CX-15測斜孔累計深層水平位移監測數據進行分析。采用反壓護道之后，圍堰整體水平位移累計值的最大值為17.3"mm，位于10"m深度處，為淤泥層頂面；最大水平位移速率達到3.8"mm/d，發生時間為抽真空初期。與CX-03相比，深層水平位移最大值明顯減小，水平位移速率已基本處于安全限值內，因此反壓護道在圍堰邊坡加固方案中是可行的。

4滲流模型的建立

4.1"滲流計算模型

采用Plaxis2D有限元程序建立標準段橫斷面二維計算模型，模擬分析圍堰在吹填施工和真空聯合堆載預壓等工況下的安全穩定性特征。有限元計算模型的尺寸與工程案例一致，Plaxis2D建模及單元網格劃分如圖2所示。模型的圍堰與地基土統一采用摩爾庫倫模型模擬。

4.2"計算參數

根據勘察報告，土層物理力學參數如表1所示。

4.3"計算結果及分析

根據工程實例的現場施工情況，數值模擬計算工況主要步驟如下：（1）進行初始地應力平衡；（2）施工圍堰；（3）吹填施工；（4）真空預壓；（5）堆載預壓。

由圖3可以看出，采用反坡護道的加固措施之后能有效提高圍堰的安全穩定性；吹填堆載期隨著吹填堆載的進行，圍堰穩定性逐漸下降；真空聯合堆載預壓期結束后，進行真空預壓時，圍堰內側的荷載達到最大，圍堰安全穩定性系數降至最低，這與現場實際監測情況吻合，應密切關注吹填堆載后期至抽真空初期這段時間的圍堰水平位移速率，及時預警，調整現場施工進度。

4.4"優化加固方案

為了充分研究不同反坡護道高寬值的情況下，對圍堰安全穩定性的影響，以變化幅值1"m，逐步減少反坡護道高寬值，設置工況為真空聯合堆載預壓完成時，反坡護道高寬分別為6"m、5"m、4"m、3"m的計算工況，水位設置與實際相同。計算不同反坡護道高寬值下圍堰安全穩定系數，如表2所示。

由表2可知，在合理的反壓互道高度內，圍堰邊坡的安全系數隨反壓互道高度的增高而變大，反壓寬度的增加對安全系數雖有一定影響但影響程度較低，可見反壓寬度對加固效果影響不大。

僅從穩定性系數方面考慮，反壓方案在高度、寬度均為6"m時，圍堰安全穩定性系數達到最大。但是考慮到反壓寬度和高度在5"m增加至6"m時，圍堰安全穩定性系數僅提升0.1左右，提升效果較小，從經濟性角度考慮，建議反壓坡道的高度和寬度均采用5"m。

反壓坡道的高度和寬度均采用5"m時，圍堰安全穩定性系數為2.41，滿足現場需求，這樣既能保證圍堰良好的安全穩定性，同時也滿足經濟性。

5結論

（1）吹填堆載施工后期和抽真空初期對土體擾動較大，圍堰邊坡處于不穩定狀態，應密切觀測這段時間內圍堰的深層水平位移。

（2）圍堰底部至淤泥層上部位置產生了相對較大的水平位移，說明土體內部存在滑動面或潛在滑動面，應密切觀測此處位置的位移變化速率。

（3）圍堰采用反坡護道的加固措施能有效提高圍堰的安全穩定性。

（4）綜合考慮經濟性和穩定性系數，建議反壓坡道的高度和寬度均采用5"m，這樣既能保證圍堰良好的安全穩定性，同時也具有較大的經濟性。

參考文獻

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