爆破挤淤堤防渗闭气土的稳定性研究

刘 阳，刘家才

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

爆破挤淤堤防渗闭气土的稳定性研究

刘 阳，刘家才

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

针对防渗设计时如何利用爆破挤淤产生淤泥包的问题，进行了防渗闭气土稳定性的研究。基于闭气土渗透破坏机理，采用数值模拟的手段分析了影响闭气土稳定的参数敏感性，结合大小鱼山南防波堤工程的水文、地形资料，进行闭气土稳定性计算，提出淤泥包可保留厚度的建议值。研究结果表明，降雨入渗对闭气土的稳定性具有重要影响，需采取有效措施控制降雨入渗量；内外水位对闭气土稳定性的影响其次且相当，存在一个高程，该高程以下的淤泥包作为防渗闭气土是稳定的，无需设置倒滤结构，大小鱼山南堤淤泥包保留厚度建议值为-3.0 m高程。研究成果可为闭气土的防渗设计提供理论依据，为工程建设节省投资。

爆破挤淤；渗透破坏；闭气土；参数敏感性；稳定性

沿海围垦建设石油化工园区，不仅要进行园区内地表的防渗设计[1]，而且要在围堤内侧设置闭气土防渗体，防止内外水系的贯通。在软土层厚度不大的地质条件下采用爆破挤淤筑堤，对挤淤过程中堤身内侧拱起的淤泥一般采用局部清除至原泥面，然后施工倒滤层，再施工闭气土达到防渗效果。但当软土厚度过大时，置换出来的淤泥包也很大，若采用传统的清淤方案，会导致挖泥工作量较大，而且，在环保要求日益提高的今天，弃泥点的审批落实难度也很高。因此，对淤泥包的处理和利用成为一个关键问题。若处理不当，将会引起工程问题，如海堤后方坍塌形成空洞[2-3]。

针对上述问题，本文基于闭气土渗透破坏机理，研究影响闭气土稳定性的因素，进行敏感性分析，并依托大小鱼山南防波堤工程的相关资料，进行闭气土稳定性计算，提出爆破挤淤过程中拱起淤泥包可保留厚度的建议值，为类似工程提供理论依据。

1 闭气土渗透破坏机理

土体的渗透破坏可分为流土、管涌、接触冲刷和接触流失4种。

爆破挤淤堤堤身材料为开山石，内侧设置闭气土，闭气土方以黏性土为主，含石量不大于5%，渗透系数应小于1伊10-6cm/s。若该闭气土方直接与堤身开山石接触，当渗透比降超过临界渗透比降时，闭气土方将会在渗流力作用下被推移到开山石中，发生接触流失破坏。

为防止闭气土方接触流失，需要在闭气土方与开山石之间设置反滤结构（碎石垫层+土工布）。而反滤结构底高程的选择取决于反滤结构下方与开山石直接接触的闭气土的稳定性，即闭气土渗透比降不超过临界渗透比降时，闭气土方可保持稳定。

2 参数敏感性分析

根据闭气土渗透破坏机理，要研究闭气土的稳定性，需先确定淤泥包与开山石接触面上闭气土的渗透比降。本节采用由中仿科技公司开发的GEO-SEEP土体渗流分析软件，首先建立饱和渗流本构模型，再赋值不同的材料属性及边界条件（包括闭气土渗透系数、内海侧水位、外海侧水位及降雨入渗等），然后通过有限元方法求闭气土与开山石接触面上不同高程节点的渗透比降，最后研究各参数变化对闭气土渗透比降的影响，进行参数敏感性分析。

2.1 计算模型及参数

本次计算采用多孔介质模型，假定材料属性均质且各向同性，以饱和渗透系数体现各材料间的差异。结合南防波堤工程典型断面，建立模型如图1所示。模型参数选取及边界条件详见表1。

图1 渗流分析模型Fig.1 Model of seepage analysis

表1 模型材料参数及边界条件Table1 Material parameters and boundary conditions in model

参数的取值变化如下：

1）闭气土渗透系数变化：其它参数及边界条件不变，闭气土渗透系数分别取1伊10-9m/s、3伊10-9m/s、7伊10-9m/s及 9伊10-9m/s。

2）内海侧边界水头变化：材料参数及其它边界条件不变，内海侧总水头分别取1.4 m、1.7 m、2.3 m及2.6 m。

3）外海侧边界水头变化：材料参数及其它边界条件不变，外海侧总水头分别取0.34 m、-0.66 m、-2.16 m及-2.69 m。

4）内海侧边界流量的变化：南防波堤工程区域降水主要集中在5—9月，占全年的51.4%。多年月平均降水量为91.2 mm，多年月最大降水量286.9 mm，多年月最小降水量17.6 mm。内海侧考虑降雨入渗的影响，按降水量10%计算，边界单位流量取 7伊10-10m/s、1伊10-9m/s、3.5伊10-9m/s、7伊10-9m/s及1伊10-8m/s。材料参数及外海侧边界条件不变。

2.2 计算结果

采用2.1节所述模型及参数计算闭气土与堤身开山石接触面上闭气土的渗透比降。在闭气土与堤身开山石接触面上选取A、B、C三点，高程分别为-2.0 m、-3.0 m和-4.0 m。分别计算A、B、C三点的渗透比降，计算结果见图2。

图 2（a）、（b）、（c）显示，闭气土渗透系数在同一数量级范围内变化，对渗透比降的影响很小；内外侧边界水头在可能发生的范围内变化，对渗透比降的影响较大。对比内海侧水头2.6 m、外海侧水头-1.66 m的计算结果和内海侧水头2.0 m、外海侧水头-2.16 m的计算结果，两者非常接近，即内外水头差相近时渗透比降接近，这与渗透比降的定义也是吻合的。此外，计算结果显示计算点的高程越低，渗透比降越小，说明在闭气土与堤心开山石接触面上存在一个点，该点上方的闭气土易发生渗透破坏，必须设置倒滤结构，该点下方的闭气土稳定，可不设置倒滤结构。

图2（d）显示，降雨入渗对渗透比降的影响较大，因此在强降雨天气作用时，需及时做好排水措施，减少降雨入渗，避免发生渗透破坏。此外，计算结果显示同一降雨入渗量作用下，渗透比降随高程先增加后减小，但变化幅度较小，且降雨入渗量越小，这种变化幅度越微弱。

图2 各参数对渗透比降的影响Fig.2 Effects of different parameters on permeability gradient

2.3 参数敏感性分析

采用全局敏感性分析方法筛选与识别最敏感的参数（组），引入基效应概念，即评估单个因子微小变化量引起的输出响应变化[4]。

式中：di（j）为第i个参数第j组样本的基效应；j=1，2，…，R（R为重复抽样次数）；n为参数个数；xi为第i个参数；驻为单个参数的变化量；f（·）为对应参数的响应输出。

通过基效应的均值滋和标准差滓这两个指标来判断参数的敏感性，其中滋表征参数的敏感度，确定参数的排序，滓表征参数之间的非线性或相互作用的程度。

先根据式（1）计算闭气土渗透系数、内海侧边界水头、外海侧边界水头及内海侧单位流量在A、B、C三点的基效应，再根据式（2）和式（3）计算各基效应的均值和标准差，计算结果列于表2。

表2 参数基效应及敏感性Table2 Base effect and sensibility of parameters

研究表明，内海侧单位流量（降雨入渗）对渗透比降最敏感，内外水位对渗透比降的敏感性其次且相当，同一数量级的渗透系数对渗透比降的敏感性最小。因此，在研究淤泥包可保留厚度时，需着重考虑降雨入渗及内外水头差的作用。

3 淤泥包保留厚度分析

结合大小鱼山南防波堤工程的水文资料，通过参数敏感性分析，确定爆破挤淤产生淤泥包的保留厚度，该部分淤泥包作为防渗体，既减少清淤量，又不会因减少清淤而导致渗透破坏。

3.1 鱼山海域潮位特征

2012年鱼山海域全年最低潮位约-2.2 m，4月份某日的潮位变化特征曲线如图3所示。

图3 鱼山海域潮位变化特征曲线Fig.3 Characteristic curve of tide variation in Yushan sea area

3.2 闭气土允许渗透比降

土体临界渗透比降可采用式（4）进行计算[5]。

式中：Jcr为土体临界渗透比降；Gs为土粒比重；n为土体孔隙率。

南防波堤爆破隆起的淤泥包为扰动后的III2层淤泥质粉质黏土。III2层淤泥质粉质黏土的天然孔隙比为1.25，含水率为45%，该土层位于海平面以下，饱和度按99%考虑，换算成土粒比重Gs为2.75，孔隙率为0.56。爆破振动后土粒比重不变，取2.75；孔隙率一般有所增加，增加幅度为2%~22%[6]，按淤泥包孔隙率平均增加12%取值，淤泥包孔隙率为0.63。代入式（4）计算得淤泥包的临界渗透比降为0.65。

为保证防渗闭气土的稳定，需考虑一定安全储备，取安全系数为1.5~2，则南防波堤闭气土与堤身开山石接触面的允许渗透比降为0.33~0.43。当接触面渗透比降不大于允许渗透比降时，闭气土稳定；反之，闭气土将发生接触流失破坏。

3.3 接触面渗透比降

内海侧不考虑降雨入渗影响时，根据鱼山海域潮位特征曲线，闭气土与堤身开山石接触面A、B、C三点渗透比降分别为0.420、0.385和0.335，均小于最大允许渗透比降。内海侧考虑降雨入渗影响时，取单位流量为2伊10-9m/s，接触面A、B、C三点渗透比降均为0.308，小于最小允许渗透比降；取单位流量为3伊10-9m/s，接触面A、B、C三点渗透比降均为0.462，略大于最大允许渗透比降；取单位流量2.5伊10-9m/s，接触面各点渗透比降均为0.385，在允许渗透比降的控制范围内。

3.4 爆破挤淤淤泥包现状

根据鱼山南防波堤工程爆破淤泥包的地形测量资料，内海侧距离堤轴线21~61 m范围内，淤泥包最高处顶高程-2.5~-3.5 m，仅两侧靠近山体的堤段顶高程0.0~1.0 m。桩号K1+300、K1+550、K1+800和K2+050断面内海侧淤泥线见图4。

图4 南防波堤爆破淤泥包顶高程Fig.4 Top surface elevation of blasting crowed silt in south embankment

3.5 淤泥包保留厚度建议值

淤泥包保留厚度应遵循以下原则：

1）非降雨期，在外海侧潮位变化作用下，未设置反滤结构的闭气土方稳定。

2）降雨期，通过控制降雨入渗量，使闭气土与堤身开山石接触面不发生渗透破坏。

3）在满足闭气要求的前提下，尽量减少淤泥的清除。

根据数值计算结果及现场爆破淤泥包地形测量结果，并遵从以上原则：非降雨期，常规潮位作用下B点的渗透比降可满足允许渗透比降的要求，即使遭遇200 a一遇极端低水位为-2.69 m，该点渗透比降0.442，渗透稳定的安全系数也可达到1.47。降雨期，降雨入渗量起主要控制作用，B点的渗透比降最大，如控制降雨入渗单位流量不超过 2.5伊10-9m/s（6.5 mm/月），B 点的渗透比降可满足允许渗透比降的要求。淤泥包最高处顶高程普遍为-2.5~-3.5 m，B点高程-3.0 m，几乎无需清淤即可将反滤结构底高程施工至-3.0 m；靠近山体堤段，仅需清除局部厚度2~3 m的淤泥，陆上采用长臂挖机清淤即可。因此，淤泥包保留厚度建议由传统设计的天然泥面优化至-3.0m高程。

南防波堤工程桩号K0+150~K3+100范围内可采取上述建议值进行优化设计，减少清淤量约30万m3，减少土工布铺设约2.5万m2，共计节约投资约600万元。

4 结语

基于闭气土渗透破坏机理，进行参数敏感性分析，并优化设计，得出以下结论：

1）降雨入渗对闭气土与堤身开山石接触面上渗透比降的影响最大，内外水位对该渗透比降的影响其次且相当，同一数量级的渗透系数对该渗透比降的影响最小。

2）降雨入渗是影响闭气土稳定的最主要因素，鱼山海域围垦工程中降雨入渗单位流量宜控制在 2.5伊10-9m/s（6.5 mm/月），故应采取有效措施减少降雨入渗量，保证闭气土的稳定。

3）可保留部分爆破挤淤产生的淤泥包作为防渗体，既减少工程投资，又保证闭气土稳定。鱼山海域围垦工程中爆破挤淤产生的淤泥包保留厚度建议保留至-3.0 m高程，即-3.0 m高程以下无需设置倒滤结构，闭气土稳定。与传统要求的倒滤铺设至天然泥面相比，可节约投资约600万元。

[1] 吴维洋，孙垦，刘玉龙，等援我国大型石油炼化基地防渗工程研究[J]援华北水利水电大学学报：自然科学版，2014，35（3）：43-48.WU Wei-yang,SUN Ken,LIU Yu-long,et al.Study on antiseepage projects in large-scale petrochemical plant of China[J].Journal of North China University of Water Resources and Electric Power:Natural Science Edition,2014,35(3):43-48.

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[4] 宋晓猛，孔凡哲，占车生，等援基于统计理论方法的水文模型参数敏感性分析[J]援水科学进展，2012，23（5）：642-649.SONG Xiao-meng,KONG Fan-zhe,ZHAN Che-sheng,et al.Sen原sitivity analysis of hydrological model parameters using a statistical theory approach[J].Advances in Water Science,2012,23(5):642-649.

[5]GB 50487—2008，水利水电工程地质勘察规范[S].GB 50487—2008,Code for engineering geological investigation of eater resources and hydropower[S].

[6]杨闻宇，喻国良援机械振动作用下淤泥液化产生的细颗粒释放机理[J].厦门理工学院学报，2016，24（1）：86-91.YANG Wen-yu,YU Guo-liang.Microstructure change of under原water sedimentation in mechanical vibrations[J].Journal of Xiamen University of Technology,2016,24(1):86-91.

Stability on anti-seepage closure earthwork of blasting compaction embankment

LIU Yang,LIU Jia-cai
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Stability of anti-seepage closure earthwork is researched to find how to make use of the blasting crowded silt as anti-seepage designing.Based on seepage failure mechanism of closure earthwork,we analyzed the parameter sensibility of closure earthwork stable by numerical simulation.According to hydrology and topography data of Da-xiao-yushan south embankment project,we calculated the stability of closure earthwork,then proposed the thickness of the blasting crowded silt which may be retained.Results show that rainfall infiltration has a first important impact on stability of closure earthwork.Effective action must be taken to control amount of rainfall infiltration.Land water level and sea water level have a second and the same important impact on stability of closure earthwork.There must be a certain elevation under which the blasting crowded silt is stable as anti-seepage closure earthwork without inverted filter structure.The recommended elevation of retained blasting crowded silt is-3.0 m in Da-xiao-yushan south embankment project.The research results provide theoretical foundation for anti-seepage design of closure earthwork and reduces investment of engineering construction.

blasting compaction;seepage failure;closure earthwork;parameter sensibility;stability

U656.2；U655.4

A

2095-7874（2017）12-0037-05

10.7640/zggwjs201712009

2017-06-02

2017-08-22

刘阳（1985— ），女，江苏南通人，博士，高级工程师，从事港口工程设计、科研及渗流分析。E-mail：liuyallen@126.com