崔廣強，常方強

(1.福建江夏學院 工程學院，福建 福州 350108；2. 華僑大學 土木工程學院, 福建 廈門 361021)

爆炸擠淤法置換深厚淤泥具有施工速度快、人耗和物料消耗低、施工后沉降小、投資少的優(yōu)點，已經(jīng)在我國東部沿海地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。在其得到廣泛應(yīng)用的同時，特別是圍堤的穩(wěn)定性分析也顯得日益重要，目前，深厚淤泥爆炸擠淤圍堤穩(wěn)定性分析尚無成熟的分析方法，其復雜性增加了力學分析上的困難。文獻[5-10]對爆破擠淤圍堤的穩(wěn)定性分析進行了不同形式的探討和分析，得到不同的結(jié)論與適用范圍。目前，工程中堤防穩(wěn)定性計算方法仍遵循傳統(tǒng)的弧形滑動法[11-15]。然而，計算結(jié)果與實際情況有很大不同，表明常用的穩(wěn)定性分析方法無法有效地評估其穩(wěn)定性。因此，正確分析深厚爆破擠淤圍堤的穩(wěn)定性是實際應(yīng)用中亟待解決的問題。為了分析爆破擠淤圍堤的變形和整體抗滑穩(wěn)定性，采用有限元軟件方法分析爆破擠淤圍堤典型斷面的穩(wěn)定性。并分析不同擠淤效果、護底塊石和極端海況對穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

1.1 地理位置及水文條件

福建華電儲運有限公司10JHJ、11JHJ泊位一期后方陸域工程位于福建連江縣坑園鎮(zhèn)顏歧村,駁岸總長約為433.2 m,其堤身下部結(jié)構(gòu)為爆炸擠淤筑堤。前沿駁岸設(shè)計寬度20 m,頂標高+7.0 m,底標-35.2～-34.4 m 。由于棄方區(qū)邊界不規(guī)則變化，施工時結(jié)合地形變化適當調(diào)整斷面形狀，確保爆炸擠淤底寬度大于30 m。

設(shè)計高水位：2.73 m,設(shè)計低水位：-3.34 m,

極端高水位：4.64 m,極端低水位：-4.37 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

經(jīng)勘探和分析，擬建場地位于羅源灣東側(cè)可門港區(qū)，屬濱海及淺海地貌單元，灘涂原始地面標高為-2.73～4.86 m，現(xiàn)原始地貌由于受可門火電廠炸山填海和堆填擠淤作用，已經(jīng)改變了原樣，場地70%～80%的面積已成為填石陸域區(qū)，地面高程-2.12～12.85 m。

場地地址情況分為棄方覆蓋區(qū)及非棄方取土區(qū)，棄方區(qū)主要為石方，混有土和淤泥，棄方區(qū)厚度變化不規(guī)則，棄方區(qū)下部為淤泥層，大部分厚度5～15 m，淤泥下為含泥角礫碎石、粘土等。非棄方區(qū)，頂標高+4.0～+8.0 m，面層為淤泥，淤泥厚度29～40 m(包括擠淤隆高的5～9 m)。爆破前后堤身斷面如圖1所示。

圖1 爆破前后堤身斷面

2 穩(wěn)定性建模

2.1 參數(shù)取值

Plaxis程序moore-coulomb模型總共需要6個參數(shù)：土體不飽和重度、飽和重度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。圍堤及周圍土體參數(shù)取值匯總于表1。

表1 圍堤穩(wěn)定性數(shù)值模擬所用參數(shù)取值

2.2 建模過程

圖2 圍堤及其周圍土體模型

圖3 圍堤及其周圍土體網(wǎng)格劃分

采用Plaxis有限元軟件建立圍堤應(yīng)力應(yīng)變分析模型，建模過程如下：1)根據(jù)圍堤的幾何形狀和周圍土層情況，建立模型邊界，如圖2所示。2)定義材料屬性、圍堤填石和周圍土層工程性質(zhì)，根據(jù)表1中分別定義。3)劃分網(wǎng)格，采用精細網(wǎng)格，如圖3所示。4)設(shè)置地下水位高度，首先極端低水位設(shè)置在圍堤外側(cè)泥面處(在后面分布計算時，極端高水位設(shè)置在圍堤內(nèi)側(cè)地表處)。5)生成初始應(yīng)力。生成初始應(yīng)力時，淤泥在自重下固結(jié)，圍堤以及內(nèi)側(cè)的填土尚未填筑。6)設(shè)置計算步驟。計算時分三步：第一步為淤泥在自重下固結(jié)；第二步施加圍堤以及內(nèi)側(cè)填土，激活圍堤及內(nèi)側(cè)填土；第三步，設(shè)置極端高水位。7)求解以及結(jié)果分析。

3 典型斷面圍堤的整體滑動穩(wěn)定性

西圍堤和北圍堤的整體抗滑安全系數(shù)采用Plaxis的phi-c縮減因子法計算得出，結(jié)果如表2和表3所示?？梢钥闯觯總€部分的整體滑動穩(wěn)定安全系數(shù)大多大于1.0并且處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 西堤的整體滑動穩(wěn)定性的安全系數(shù)

4 圍堤穩(wěn)定性影響因素分析

為了研究深厚淤泥爆破擠淤堤在不同位移效應(yīng)下的穩(wěn)定性，計算了圍堤不同擠淤效應(yīng)(不同位移形式和置換率)的穩(wěn)定性。

4.1 擠淤效應(yīng)對圍堤穩(wěn)定性的影響

4.1.1 深厚淤泥完全被填石所置換

以北堤為例，堤壩及其周圍土層的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，圍堤內(nèi)側(cè)填土有向斜下的位移，最大可達0.56 m；出現(xiàn)應(yīng)力集中發(fā)生在圍堤底部，這是應(yīng)力最大的地方。

表3 北堤的整體滑動穩(wěn)定性的安全系數(shù)

圖4 圍堤底部淤泥全部被置換時穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果

當圍堤底部全部被填石取代時，圍堤的整體滑動安全系數(shù)為3.8，并且不會發(fā)生圍堤的整體滑動破壞。

4.1.2 深厚淤泥部分被置換

分析圍堤在20、40、60和80置換率時的穩(wěn)定性，其中,置換率為20時的位移云圖如圖5所示(泥石混合層厚度為2 m)，圍堤的最大位移為0.56 m，不同置換率對圍堤的最大位移影響不大，原因是最大位移發(fā)生在堤內(nèi)填土部分，圍堤下部的未完全置換體距離該最大位移距離較大。當只有20%的置換率時，圍堤的總滑動安全系數(shù)均為2.7，表明在上述幾個置換率下圍堤不會發(fā)生整體滑動破壞。對于其他情況，當混合層的厚度和置換率不同時，圍堤的整體滑動安全系數(shù)見表4。可以看出，當泥石置換率達到10%且泥石混合層厚度為4 m時，將發(fā)生整體滑動破壞?？梢钥闯?，當置換率為0且為純淤泥層、厚度達到2 m時，就處于整體滑動的邊緣。

表4 不同泥石置換層厚度和置換率時圍堤抗整體滑動安全系數(shù)

4.2 極端海況對穩(wěn)定性的影響

當出現(xiàn)極端高水位時，極端高水位往往由風暴潮或臺風引起，短短幾十分鐘或幾個小時，水位就由正常水位上升到極端高水位。此段時間內(nèi)，海水在圍堤內(nèi)的滲濾路徑相對較短，圍堤內(nèi)側(cè)尚未有水壓力相平衡，故圍堤外側(cè)有一定深度的靜水壓力。外側(cè)的靜水壓力與內(nèi)側(cè)的土壓力能夠平衡一部分，前者約是后者的一半。此時，圍堤內(nèi)側(cè)填土的位移相對極端低水位時要小，最大位移僅為0.44 m，并且發(fā)生在圍堤內(nèi)側(cè)的邊緣處，而極端低水位時發(fā)生在圍堤內(nèi)側(cè)的填土處；圍堤外側(cè)淤泥隆起的幅度有所減小；圍堤底部也是應(yīng)力集中區(qū)，最大剪應(yīng)力仍然出現(xiàn)在堤腳附近，即70 kPa，如圖6所示。

圖6 在極端高水位下圍堤穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果

由于未置換的淤泥層地基承載力不能滿足要求，隨固結(jié)時間的持續(xù)，圍堤逐漸沉降，可能形成兩種結(jié)果：首先，將圍堤完全擠入淤泥層中，到達粉質(zhì)粘土層的頂面；其次，在圍堤荷載作用下，淤泥逐漸壓縮固結(jié)，強度提高，可滿足地基承載力的要求。兩種結(jié)果均可導致圍堤抗整體滑動穩(wěn)定性提高，即圍堤的整體抗滑動穩(wěn)定性具有時間效應(yīng)，隨著時間穩(wěn)定性逐漸增強。

當水位極低時，低于正常水位，拋石的有效應(yīng)力增大，增加圍堤的局部滑動、整體滑動、傾覆破壞的可能性。在極高的水位下，水位高于正常水位，并且拋石的有效應(yīng)力減小，故極端高水位對圍堤穩(wěn)定性有利。

5 結(jié) 論

1)由于圍堤內(nèi)側(cè)填土和圍堤的水平力作用，圍堤外側(cè)淤泥有向上隆起的位移，達到0.1～0.2 m，圍堤底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，這是應(yīng)力最大的地方。

2)當淤泥完全被拋石置換時，圍堤整體滑動安全系數(shù)為3.8，不會發(fā)生圍堤的整體滑動破壞；當純淤泥層厚度超過3.5 m時，圍堤的整體滑動安全系數(shù)小于1.0，可能發(fā)生滑動。

3)圍堤設(shè)置護底塊石層后，圍堤整體滑動穩(wěn)定性有助于提高，設(shè)置長15 m、厚2 m的護底塊石層后，不同擠淤效果下整體抗滑動安全系數(shù)提高0.03～0.05。

4)達到極高水位時，圍堤的抗滑穩(wěn)定性無影響；當極端低水位時，圍堤抗滑穩(wěn)定性不利。

5)如果圍堤填土和堤內(nèi)填土同時進行，圍堤有發(fā)生整體滑動破壞的可能性；但隨著時間的推移，圍堤底部未置換的淤泥層強度逐漸增加，當增加到一定程度時，圍堤內(nèi)側(cè)填土然后施工，可減小圍堤整體滑動破壞的可能性。