張書紅

中國石油冀東油田分公司，河北唐山 063200

隨著近海石油工業(yè)的勘探開采及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)渤海地區(qū)海域相繼建設(shè)了多個大型灘海人工島工程。南堡油田現(xiàn)有人工島5座，廣泛分布在軟土地基上。軟土在荷載作用下固結(jié)，同時發(fā)生豎向沉降和側(cè)向水平位移。受基礎(chǔ)沉降和海洋動力共同作用，人工島防浪墻墻身局部錯位沉降、人工島防護(hù)坡扭王字塊下滑移位、人工島與登陸點銜接處不均勻沉降、管道整體沉降傾斜。以上因素均影響人工島的使用和安全，可以通過安全監(jiān)測和預(yù)警加以控制[1-6]。

生產(chǎn)運營過程中，鉆井作業(yè)產(chǎn)生大量固化土，受海況和海上交通運輸?shù)纫蛩赜绊懀袒列柙谌斯u上集中臨時堆放，另外人工島運輸車輛（包括物資運輸） 也需在環(huán)島路上臨時停放。堆放的固化土和停放車輛在島面形成附加堆載，破壞了人工島的穩(wěn)定平衡，導(dǎo)致護(hù)坡結(jié)構(gòu)和地基土產(chǎn)生新的變形，增加了護(hù)坡整體失穩(wěn)的風(fēng)險，也對鄰近管道運行形成潛在的安全風(fēng)險。以上影響均可采用數(shù)值方法進(jìn)行分析[7]。

南堡油田人工島固化土臨時堆載等對護(hù)坡穩(wěn)定性影響的評估是人工島新建產(chǎn)能亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。本文以某兩座人工島為例，通過收集、分析其地勘資料及護(hù)坡設(shè)計資料，得到了所在區(qū)域地基土層的物理力學(xué)特性，并采用極限平衡分析法研究了臨時荷載作用下護(hù)坡的整體穩(wěn)定特性。

1 工程概況

南堡油田人工島位于河北省灘海地區(qū)，兩座人工島均近似呈橢圓形布置，其長、短軸尺寸分別為495 m×298 m和604 m×416 m。人工島護(hù)坡采用袋裝砂斜坡堤結(jié)構(gòu)，島心采用吹填砂充填，人工島水位特征值如表1所示。

表1 人工島水位特征值

2 護(hù)坡穩(wěn)定性極限平衡分析

2.1 計算方法

根據(jù)GB/T 51015—2014《海堤工程設(shè)計規(guī)范》，穩(wěn)定分析采用簡化Bishop法，該方法基本原理為：設(shè)土坡的一部分沿著某一滑裂面滑動，在這個滑裂面上，土體處達(dá)到極限平衡。Bishop等將土坡安全系數(shù)Fs定義為沿整個滑裂面的抗剪強(qiáng)度τf與實際產(chǎn)生的剪應(yīng)力τ之比，即Fs=τf/τ，其計算簡圖如圖1所示。

圖1 Bishop法計算簡圖

土體安全穩(wěn)定系數(shù)計算公式如下：

式中：Fs為土體安全穩(wěn)定系數(shù)；φi、Ci為第i個土條底部土體的總抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其計量單位分別為（°） 和 kPa。

考慮到Bishop法本身存在的理論缺陷（未考慮土條力矩和水平力平衡），本文還采用理論更為完善的Morgenstern-Price法進(jìn)行整體穩(wěn)定分析。Morgenstern-Price法的基本假設(shè)是：條塊間的法向力與剪切力的比值用條間力函數(shù)f（x） 與1個待定比例系數(shù)λ的乘積表示。根據(jù)條塊力與力矩平衡條件，得到其中含有安全系數(shù)Fs和比例系數(shù)λ這2個未知數(shù)的2個平衡方程[8]，其計算簡圖如圖2所示。

圖2 Morgenstern-Price法計算簡圖

其計算的基本公式如下：

根據(jù)土條底面切向力的平衡法測，則有：

取土條底面法向力的平衡，則有：

2.2 人工島固化土臨時堆放概況

2.2.1 固化土堆放

通過現(xiàn)場踏勘和測量確定固化土臨時荷載大小和堆放位置。受島上作業(yè)和空間限制，固化土常堆放在島內(nèi)緊貼環(huán)島路位置，成片堆放。經(jīng)現(xiàn)場實地測量，已有堆放固化土的最大區(qū)域長87m、寬43m、高10 m。由于目前現(xiàn)場固化土堆放并無嚴(yán)格要求，并考慮到通航影響等原因，存在固化土不能及時清運出島的情況。出于工程安全保守的考慮，在本次分析中按立方體堆載計算固化土荷載，固化土堆與環(huán)島路的距離為0 m；車輛停放在環(huán)島路，車輛荷載質(zhì)量取50 t，從最不利工況考慮，本次計算時假設(shè)車輛緊貼護(hù)坡停放。固化土臨坡堆放和車輛停放位置見圖3。

圖3 人工島固化土臨坡堆放和車輛停放

2.2.2 臨時荷載確定

固化土臨時荷載的大小不僅與堆放范圍、高度有關(guān)，還與固化土的密度密切相關(guān)。固化土是鉆孔深部地層土與泥漿的混合物，其密度值缺少參考資料。通過現(xiàn)場取樣，開展室內(nèi)試驗，采用環(huán)刀法測定其密度，測量不同含水率下試樣的密度見表2。由表2的計算結(jié)果可知，2號試樣的密度最大。

再測量2號試樣的含水率，得到其含水率為10.35%。采用抽氣飽和法制備飽和試樣并測量飽和密度，得到其飽和密度為2.14 g/cm3。根據(jù)試驗成果，考慮到最不利的荷載作用情況，固化土容重取21.4 kN/m3。

表2 不同含水率下固化土試樣密度

2.3 計算斷面與參數(shù)

考慮到該淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層對護(hù)坡的整體穩(wěn)定有較大影響，本次計算選取存在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的兩個典型斷面進(jìn)行護(hù)坡整體穩(wěn)定計算，斷面一的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層位于淺層，斷面二的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層位置相對斷面一較深。計算中吹填砂的天然密度和飽和密度分別為1.72、1.75 g/cm3，內(nèi)摩擦角為28°，拋石內(nèi)摩擦角為40°。根據(jù)施工階段鉆孔資料和試驗結(jié)果，綜合考慮多方面因素后，選擇斷面一計算所用的地層參數(shù)見表3，選擇斷面二計算所用的地層參數(shù)見表4，圖4為典型斷面計算模型。

表3 斷面一計算的土層參數(shù)

表4 斷面二計算的土層參數(shù)

3 計算結(jié)果

表5為不同水位下的兩個典型斷面固化土與車輛荷載作用下的護(hù)坡整體穩(wěn)定計算結(jié)果。

（1）斷面一的分析。設(shè)計低水位時，臨時荷載作用前護(hù)坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.300。固化土堆載后安全系數(shù)有所下降，采用規(guī)范推薦的Bishop法計算，得到安全系數(shù)為1.194；考慮到Bishop法本身存在的理論缺陷（未考慮土條力矩和水平力平衡），采用理論更為完善的Morgenstern-Price法進(jìn)行整體穩(wěn)定分析，得到安全系數(shù)為1.198。由兩種計算方法分別計算得到的潛在滑動面基本相同，由于淺表層存在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，潛在的滑動面主要從該層通過。在固化土和車輛的臨時聯(lián)合作用下，護(hù)坡安全系數(shù)下降略大，采用Bishop法和Morgenstern-Price法計算得到的安全系數(shù)分別為1.185和1.192。

圖4 典型斷面計算模型

表5 護(hù)坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)

極端低水位條件時，臨時荷載作用前護(hù)坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.237。固化土堆載后安全系數(shù)有所下降，采用Bishop法和Morgenstern-Price法分別進(jìn)行計算，所得的安全系數(shù)分別為1.180和1.177。在固化土和車輛臨時聯(lián)合作用時，采用Bishop法和Morgenstern-Price法計算所得的安全系數(shù)分別為1.141和1.138。

對比不同水位的計算結(jié)果，可以看出隨著堤外水位的降低，護(hù)坡安全系數(shù)有所降低。這主要是由于堤外水位的降低會導(dǎo)致堤內(nèi)浸潤線下降，從而增大了堤身自重荷載，由此導(dǎo)致了安全系數(shù)的降低。

（2）斷面二的分析。設(shè)計低水位時，臨時荷載作用前護(hù)坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.422。固化土堆載后安全系數(shù)有所下降，采用Bishop法計算所得的安全系數(shù)為1.247，采用Morgenstern-Price法所得的安全系數(shù)為1.261。由這兩種計算方法分別進(jìn)行計算所得的潛在滑動面基本相同。在固化土和車輛荷載聯(lián)合作用時，護(hù)坡安全系數(shù)下降略大，采用Bishop法和Morgenstern-Price法計算所得的安全系數(shù)分別為1.238和1.242。

極端低水位時，臨時荷載作用前護(hù)坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.407，固化土堆載后安全系數(shù)有所下降，采用Bishop法和Morgenstern-Price法計算所得的安全系數(shù)分別為1.231和1.229。在固化土和車輛荷載聯(lián)合作用時，采用Bishop法和Morgenstern-Price法計算所得的安全系數(shù)分別為1.219和1.223。

（3）綜合結(jié)果。斷面一和斷面二的計算結(jié)果表明，在最危險斷面和最不利工況下，護(hù)坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)由1.237下降至1.138，固化土臨時堆載和車輛荷載降低了護(hù)坡的整體穩(wěn)定性，增加護(hù)坡沉降和水平位移（需要通過三維數(shù)值計算分析），但在固化土和車輛臨時荷載作用時，人工島護(hù)坡的整體穩(wěn)定性滿足要求。結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，確定固化土堆放范圍應(yīng)限定在人工島道路外現(xiàn)有區(qū)域，堆放高度應(yīng)不大于10 m。

固化土堆載和車輛荷載對人工島護(hù)坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響研究結(jié)果已經(jīng)納入人工島運行管理，相關(guān)成果填補(bǔ)了Q/SY 1354—2015《灘海人工島工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和Q/SY 18003—2017《灘海人工島構(gòu)筑物管理規(guī)范》的空白，對其他類似工程有重要的參考作用。

4 結(jié)論

（1）采用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗、理論分析等方法，調(diào)查了人工島固化土堆放和車輛荷載現(xiàn)狀，得出了固化土飽和密度為2.14 g/cm3，分析了土層分布特點及其物理力學(xué)指標(biāo)，確定了固化土堆載和車輛荷載，為數(shù)值分析提供了計算參數(shù)。

（2） 采用簡化Bishop法和Morgenstern-Price法進(jìn)行固化土和車輛等臨時荷載作用下的人工島護(hù)坡整體穩(wěn)定性分析，建立了計算模型，計算結(jié)果表明，在最危險斷面和最不利的工況下，護(hù)坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)由1.237下降至1.138，固化土臨時堆載和車輛荷載降低了護(hù)坡的整體穩(wěn)定性，但在固化土和車輛臨時荷載共同作用時，人工島護(hù)坡的整體穩(wěn)定性滿足要求。

（3）在極端低水位情況下，固化土堆載和車輛荷載聯(lián)合施加，護(hù)坡的整體穩(wěn)定系數(shù)最小；與車輛荷載比較，固化土堆載對護(hù)坡變形和穩(wěn)定性的影響更為顯著。

（4）固化土堆載和車輛荷載降低了護(hù)坡的整體穩(wěn)定性，增加了護(hù)坡沉降和水平位移，但在固化土堆載和車輛臨時荷載共同作用時，人工島護(hù)坡的整體穩(wěn)定性滿足要求。結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，固化土堆放范圍應(yīng)限定在人工島道路外現(xiàn)有區(qū)域，堆放高度應(yīng)不大于10 m。

（5）固化土堆載和車輛荷載對人工島護(hù)坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響的研究成果已經(jīng)納入人工島運行管理，相關(guān)成果填補(bǔ)了有關(guān)規(guī)范的空白，對其他類似工程有很好的參考價值。