楊 釗，王 洪，唐 炫，陳培帥

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

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

實(shí)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(shè)計(jì)斜坡堤的斷面形態(tài)為正梯形，其護(hù)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(hù)坦至設(shè)計(jì)的標(biāo)高與厚度，將造成護(hù)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(hù)坦寬度與厚度。然而，護(hù)坦設(shè)置的寬度和厚度與護(hù)坦的回填工程量有直接的聯(lián)系，在可以保證防波堤安全穩(wěn)定的前提下，應(yīng)減小護(hù)坦的寬度和厚度，從而降低填土方量、縮短施工時(shí)間，確保獲得良好的施工經(jīng)濟(jì)效益[2,3]。

1 防波堤斷面形態(tài)研究

對(duì)于淤泥面，當(dāng)拋石瞬間擠入淤泥時(shí)，淤泥會(huì)受到剪切破壞，隨著拋石體下方的淤泥被擠出，拋石體兩側(cè)的淤泥就會(huì)壅起，而且兩側(cè)壅起部分的截面積之和應(yīng)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(huì)在自身重力作用下逐漸回壅，達(dá)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(duì)拋石擠淤法的成堤斷面進(jìn)行分析。

分析時(shí)建立初始步與1個(gè)分析步，在初始步時(shí)地層為原始狀態(tài)，淤泥層沒有受到擾動(dòng)，在分析步時(shí)將擬堆填的拋石置于淤泥層表面，同時(shí)施加重力荷載，淤泥在拋石的重力作用下產(chǎn)生變形，拋石體本身也隨之變形，最終達(dá)到平衡，此時(shí)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(shù)值模擬方法的結(jié)果可相互對(duì)比驗(yàn)證。

結(jié)合背景工程的實(shí)際情況和土體及拋石體的物理力學(xué)參數(shù)，現(xiàn)設(shè)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(shè)置為8 m，10 m，12 m。

1.1 以均布荷載模擬拋填堤心石

計(jì)算模型如圖2所示，不同均布荷載壓力作用下，淤泥質(zhì)軟土地基有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖3～6所示。

圖2 計(jì)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(jì)算模型中拋填堤心石底寬為55 m，三個(gè)計(jì)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(jì)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(shù)值模擬拋石擠淤成堤斷面形態(tài)的計(jì)算結(jié)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(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

拋石擠入淤泥內(nèi)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(duì)比兩種方法得出的斷面形態(tài)，直接采用拋石進(jìn)行分析的時(shí)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?yàn)椴捎脡毫Ψ治鰰r(shí)所取的壓力是呈矩形分布的，而采用拋石模擬時(shí)，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(cè)更為平緩的擠出效果。

由以上兩種有限元數(shù)值模擬計(jì)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(chǎn)生變形，拋石的底面會(huì)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(jié)論相符。

2 工程概況

海陽港防波堤工程位于山東省煙臺(tái)市境內(nèi)，其中防波堤工程?hào)|側(cè)北起疏港路，是煙臺(tái)港海陽港區(qū)的起步建設(shè)工程。防波堤設(shè)計(jì)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(cè)護(hù)坡采用拋石斜坡堤，護(hù)面采用大塊石或扭王字塊體。

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

3 護(hù)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(shù)據(jù)以及泥石交界面數(shù)據(jù)，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(jù)防波堤斷面形態(tài)研究結(jié)論，假定倒梯形坡度比為1∶2。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

采用強(qiáng)度折減有限元法，分別計(jì)算護(hù)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(shí)，防波堤整體穩(wěn)定安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表1。

針對(duì)不同淤泥厚度的防波堤，分別使用不同的護(hù)坦厚度、寬度參數(shù)進(jìn)行防波堤的邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，沒有考慮到沿海地區(qū)的風(fēng)、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(huì)降低邊坡的穩(wěn)定性。由于防波堤修筑完成之后將會(huì)作為永久結(jié)構(gòu)物，為了考慮海流的作用，在邊坡分析的時(shí)候適當(dāng)?shù)奶岣哌吰碌姆€(wěn)定安全系數(shù)，此處將安全儲(chǔ)備的系數(shù)選定為1.2，即目標(biāo)的護(hù)坦參數(shù)將滿足邊坡安全系數(shù)大于1.3×1.2=1.56。K3+700防波堤護(hù)坦參數(shù)建議選為20 m寬，3 m厚。

表1 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)采用強(qiáng)度折減法和實(shí)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(shè)計(jì)護(hù)坦標(biāo)高去拋填護(hù)坦，將造成反壓不足，而引起防波堤的整體滑動(dòng)破壞。

(3)采用增大護(hù)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?yàn)槭走x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(xué), 2011, 32(3): 1-7.

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

[3] 中交第一航務(wù)工程局.港口工程施工手冊(cè)[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(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].