斜坡堤護坦優(yōu)化研究

楊 釗，王 洪，唐 炫，陳培帥

(1. 中交二航局技術中心， 湖北 武漢 430040； 2. 中交二航局第一分公司， 湖北 武漢 430012)

當防波堤采用拋石擠淤進行施工時，其斷面形態(tài)一般采用斜坡堤。斜坡堤坡腳設置一定厚度與寬度的護坦用于反壓坡腳。護坦寬度與厚度的增加，即反壓的增大，增加了滑動面的抗滑抵抗力矩，從而增大了防波堤堤心石的穩(wěn)定。

實際施工中若直接采用拋石擠淤形成防波堤斷面，其斷面形態(tài)為淤泥面上正梯形和淤泥面下倒梯形的形態(tài)[1]。設計斜坡堤的斷面形態(tài)為正梯形，其護坦部位一般采用挖泥換填。直接拋填形成的防波堤如仍拋填護坦至設計的標高與厚度，將造成護坦的厚度不夠而影響防波堤的整體穩(wěn)定性，因而需加大護坦寬度與厚度。然而，護坦設置的寬度和厚度與護坦的回填工程量有直接的聯系，在可以保證防波堤安全穩(wěn)定的前提下，應減小護坦的寬度和厚度，從而降低填土方量、縮短施工時間，確保獲得良好的施工經濟效益[2,3]。

1 防波堤斷面形態(tài)研究

對于淤泥面，當拋石瞬間擠入淤泥時，淤泥會受到剪切破壞，隨著拋石體下方的淤泥被擠出，拋石體兩側的淤泥就會壅起，而且兩側壅起部分的截面積之和應等于擠入淤泥中拋石體的截面積[4]。在拋石體坡腳處，壅起的淤泥會在自身重力作用下逐漸回壅，達到平衡。最終形成如圖1所示的斷面形態(tài)。

圖1 防波堤斷面形狀

采用Midas-GTS有限元軟件，分別以均布荷載模擬拋石和直接采用拋石體兩種方法對拋石擠淤法的成堤斷面進行分析。

分析時建立初始步與1個分析步，在初始步時地層為原始狀態(tài)，淤泥層沒有受到擾動，在分析步時將擬堆填的拋石置于淤泥層表面，同時施加重力荷載，淤泥在拋石的重力作用下產生變形，拋石體本身也隨之變形，最終達到平衡，此時淤泥層壓縮變形而形成的斷面形狀即可理解為堤心石斷面的形狀，兩種數值模擬方法的結果可相互對比驗證。

結合背景工程的實際情況和土體及拋石體的物理力學參數，現設有1層50 m厚的淤泥，總寬355 m，縱向無限延伸，首先建立均布荷載模擬拋石體的二維有限元模型，淤泥表面的均布荷載大小分別為120 kPa、140 kPa、160 kPa、180 kPa。然后建立直接采用拋石體的二維有限元模型，在淤泥上拋填寬為55 m的石堤，拋填石塊的厚度分別設置為8 m，10 m，12 m。

1.1 以均布荷載模擬拋填堤心石

計算模型如圖2所示，不同均布荷載壓力作用下，淤泥質軟土地基有限元數值模擬計算結果如圖3～6所示。

圖2 計算模型

圖3 120 kPa拋石擠淤斷面形態(tài)

圖4 140 kPa拋石擠淤斷面形態(tài)

圖5 160 kPa拋石擠淤斷面形態(tài)

圖6 180 kPa拋石擠淤斷面形態(tài)

1.2 直接采用拋石體建模

有限元計算模型中拋填堤心石底寬為55 m，三個計算模型的填土高度分別為為8 m、10 m、12 m，模型示意圖如圖7所示。

圖7 計算模型示意

圖8～10是拋石體直接置于淤泥土層之上，有限元數值模擬拋石擠淤成堤斷面形態(tài)的計算結果。

圖8 拋石厚度8 m斷面形態(tài)

圖9 拋石厚度10 m斷面形態(tài)

圖10 拋石厚度12 m斷面形態(tài)

1.3 數值計算結果分析

拋石擠入淤泥內的深度隨淤泥面上部均布荷載、拋填石塊高度的增加而增加。

對比兩種方法得出的斷面形態(tài)，直接采用拋石進行分析的時候拋石底面形成的形狀更為扁平，更為平緩，淤泥壅起的角度更趨平緩。這是因為采用壓力分析時所取的壓力是呈矩形分布的，而采用拋石模擬時，拋石斷面呈梯形狀，因此與拋石接觸的淤泥所受的壓力也是呈梯形分布的，從而形成了兩側更為平緩的擠出效果。

由以上兩種有限元數值模擬計算方法得出的拋石擠淤斷面形態(tài)示意圖可以看出，淤泥在受到拋石重力作用下產生變形，拋石的底面會形成一扁平鍋底狀的形狀，拋石頂面也隨之下降。成堤斷面的形態(tài)為淤泥面以上的正梯形和淤泥面以下的近似倒梯形的組合。這與拋石擠淤施工形成的海陽港防波堤鉆孔得出的結論相符。

2 工程概況

海陽港防波堤工程位于山東省煙臺市境內，其中防波堤工程東側北起疏港路，是煙臺港海陽港區(qū)的起步建設工程。防波堤設計全長8719 m，走向0～180°，頂面高程為5.1 m，填方邊坡坡率為1∶1.5，行車道寬7.5 m。堤身外側護坡采用拋石斜坡堤，護面采用大塊石或扭王字塊體。

原設計方案為將防波堤坡腳淤泥質土體全部挖除[5]，拋填護坦，然而這種方法的土方開挖回填量巨大，且現場無拋泥區(qū)，因而擬定采用加寬加厚護坦的方案來替代挖泥換填方案。

3 護坦寬度厚度優(yōu)化

3.1 模型建立

選取K3+700斷面作為典型分析斷面，綜合分析掃海數據以及泥石交界面數據，得到防波堤的斷面形狀圖如圖11所示。

圖11 防波堤掃海斷面

根據防波堤斷面形態(tài)研究結論，假定倒梯形坡度比為1∶2。

3.2 計算結果分析

采用強度折減有限元法，分別計算護坦寬度為15 m，20 m，30 m，50 m，厚度為1.5 m，2 m，2.5 m，3 m時，防波堤整體穩(wěn)定安全系數。計算結果見表1。

針對不同淤泥厚度的防波堤，分別使用不同的護坦厚度、寬度參數進行防波堤的邊坡穩(wěn)定分析時，沒有考慮到沿海地區(qū)的風、浪、潮的作用影響，以及水流的沖刷作用。而海洋中波浪和潮流的沖刷作用，將會降低邊坡的穩(wěn)定性。由于防波堤修筑完成之后將會作為永久結構物，為了考慮海流的作用，在邊坡分析的時候適當的提高邊坡的穩(wěn)定安全系數，此處將安全儲備的系數選定為1.2，即目標的護坦參數將滿足邊坡安全系數大于1.3×1.2=1.56。K3+700防波堤護坦參數建議選為20 m寬，3 m厚。

表1 安全系數計算結果

4 結 論

(1)采用強度折減法和實際鉆孔模探均表明拋石擠淤成堤的斷面形態(tài)是淤泥面上正梯形和淤泥面下倒梯形。

(2)直接拋石成堤的防波堤，如仍按設計護坦標高去拋填護坦，將造成反壓不足，而引起防波堤的整體滑動破壞。

(3)采用增大護坦寬度和厚度的方案，能有效地利用淤泥自身重力的壓載，在石料充足的地域為首選方案。

[1] 余海忠，劉國楠，徐玉勝，等. 拋石擠淤成堤斷面形態(tài)研究[J]. 中國鐵道科學, 2011, 32(3): 1-7.

[2] 龔曉南. 地基處理手冊[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

[3] 中交第一航務工程局.港口工程施工手冊[M]. 北京:人民交通出版社, 1994.

[4] JTS 147-1-2010,港口工程地基規(guī)范[S].

[5] JTJ 298-98,防波堤設計與施工規(guī)范[S].