附加荷载对人工岛护坡稳定性影响研究

范思冬

中国石油冀东油田公司

随着近海石油工业勘探开采技术的发展，我国环渤海近海区域相继修建了多个大型滩海人工岛工程。受软土基础沉降、人工岛结构变形和海洋动力共同作用，人工岛防浪墙身出现局部错位沉降，人工岛护坡扭“王”字块局部下滑移位，人工岛与码头衔接处出现明显不均匀沉降，人工岛上管线基础整体沉降，管线与设备连接法兰出现错位。在此情况下，在临坡位置进行新的钻井施工，施工过程中将产生新的附加荷载，超出了原人工岛护坡结构的安全设计荷载能力。附加荷载将进一步加大护坡变形，影响护坡整体稳定性，给人工岛的生产运行造成安全隐患。

季宏、张书红[1]针对人工岛施工期提出了施工变形监测技术。焦志斌等[2-4]基于人工岛施工期安全监测与极限平衡分析，提出了人工岛监测的预警模式和自动化安全监测方法。张书红等[5]基于工程实践对人工岛施工期和运行期的沉降提出了处理办法。叶秋红、凌道盛[6]提出了基于矢量和法的护坡三维极限平衡稳定分析法，计算结果表明，完全考虑条间力作用将提高护坡的稳定安全系数。杨健等[7]采用护坡稳定三维极限(上限)分析方法，对某地区山体在施工期和运行期的三维抗滑稳定性进行了分析研究。

本文以NP1-3D护坡为例，建立三维有限元数值模型，进行护坡变形与稳定性计算，分析附加荷载对护坡变形和稳定性的影响。

1 工程概况

NP1-3D位于河北省唐山市滦南县，人工岛呈近似椭圆形布置，拟在NP1-3D南侧护坡进行钻井作业，需要评估钻井作业对人工岛护坡变形和稳定性的影响。人工岛主要水位特征值见表1。

表1 水位特征值Tab.1 Characteristic value of water level

人工岛南侧海堤场地地层在勘探深度内，从上至下由填土及第四纪全新世海相沉积形成的土层构成，根据土层特征及组合关系划分为6个主层、3个亚层，以粉砂、粉质黏土、粉土、细砂等土层为主。结合钻井施工所确定荷载水平、荷载作用位置等资料，开发建立三维有限元数学模型，研究临坡钻井时不同水位条件下护坡整体变形及稳定特性，并对护坡整体稳定性进行评估。

2 三维有限元数值模型建立

根据土层分布，考虑到淤泥质粉质黏土层强度较弱且位于浅层，对护坡的整体稳定影响较大，选取存在淤泥质粉质黏土的地层作为计算断面，据此建立三维模型，进行护坡整体稳定性计算，计算模型见图1。模型宽度取80 m，地层深度取40 m，模型长度200 m。

图1 三维有限元数值模型Fig.1 Three-dimensional finite element numerical model

计算模型中地基土的应力-应变关系采用摩尔库伦本构模型，计算所需土层基本力学参数见表2。计算模拟中主要考虑以下工况：初始静水压力和初始地应力、人工岛吹填施工、钻井施工。

表2 有限元计算采用土层力学参数Tab.2 Mechanical parameters of used soil layer got by finite element calculation

3 计算结果与分析

表3为计算断面在不同水位条件下临坡钻井作业时三维有限元数值计算结果。设计低水位时，钻井施工作业后，护坡的最大沉降和水平位移分别增大63.5 mm和16.5 mm，最大沉降位置出现在钻井作用位置附近，最大水平位移位置位于坡脚附近；由于沉降增幅大于水平位移增幅，因此与设计断面比较，变形后的护坡坡度更小。设计低水位时人工岛护坡结构的变形与应力计算结果见图2和图3。随着钻井作业的实施，护坡土体的平均法向应力和偏应力都有不同程度增大，意味着土体处于更高的应力状态水平，特别是偏应力水平增大，土体受到更大的剪切作用，对护坡整体稳定性不利，临坡钻井作业后护坡的整体稳定性安全系数由1.380下降为1.235。从潜在滑动面来看，由于浅层淤泥质粉质黏土的存在，潜在滑动面底部主要从该层通过，而潜在滑动面顶部则从距坡肩约7.8 m处扩展至15.3 m处，设计低水位时临坡钻井作业潜在滑动面见图4a。

表3 不同水位条件下钻井施工对护坡变形与稳定性的影响Tab.3 Effect of drilling construction on slope protection deformation and stability under different water level conditions

图2 钻井作业条件下人工岛护坡变形计算结果（设计低水位）Fig.2 Deformation calculation results of artificial island slope protection under drilling conditions(under the designed low water level)

图3 钻井作业条件下人工岛护坡应力计算结果（设计低水位）Fig.3 Stress calculation results of artificial island slope protection under drilling conditions(under the designed low water level)

图4 钻井作业条件下人工岛护坡潜在滑动面Fig.4 Potential slip surface of artificial island slope protection under drilling conditions

极端低水位条件时，钻井施工作业后，护坡最大沉降和水平位移增量分别为78.4 mm和26.3 mm，最大沉降位置出现在钻井作用位置附近，最大水平位移位于坡脚附近。同样，随着钻井作业的实施，护坡土体的平均法向应力和偏应力都有不同程度增大，对护坡整体稳定性不利，临坡钻井作业后护坡的整体稳定性安全系数由1.290下降为1.206。从潜在滑动面来看，由于浅层淤泥质粉质黏土的存在，潜在滑动面底部主要从该层通过，而潜在滑动面顶部则从距坡肩约7.2 m处扩展至9.5 m处，极端低水位时临坡钻井作业潜在滑动面见图4b。

对比不同水位计算结果可以看出，当堤外水位处于低位（如极端低水位）时，护坡的安全系数较小。这主要是由于堤外水位的降低会导致堤内浸润线的下降，从而增大了堤身自重荷载，土体的应力水平较高，变形与应力的增大导致了护坡整体稳定性的降低，但钻井条件下护坡的整体稳定性满足要求。

钻井作业期间，进行了临坡变形监测。监测数据表明，钻井期间防浪墙最大沉降8.5 mm，护坡最大沉降6.9 mm，护坡水平位移最大值4.8 mm，变化值满足稳定性要求，但南侧和东侧观测值相对较大，后期应跟踪观测。

4 结论

采用三维有限元数值模拟方法对人工岛护坡在临坡钻井作业情况下的稳定性进行了分析，分析结果表明：钻井过程中水位的高低与人工岛护坡安全系数的高低呈正相关。一般来说，相同条件下，水位降低，安全系数也降低；水位升高，安全系数也升高。钻井过程中水位的高低与钻井后人工岛护坡安全系数的降低比例呈正相关。一般来说，水位越低，钻井后人工岛护坡安全系数的降低比例越小。