深厚淤泥爆炸挤淤围堤稳定性数值分析

崔广强，常方强

(1.福建江夏学院 工程学院，福建 福州 350108；2. 华侨大学 土木工程学院, 福建 厦门 361021)

爆炸挤淤法置换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、投资少的优点，已经在我国东部沿海地区得到广泛的应用[1-4]。在其得到广泛应用的同时，特别是围堤的稳定性分析也显得日益重要，目前，深厚淤泥爆炸挤淤围堤稳定性分析尚无成熟的分析方法，其复杂性增加了力学分析上的困难。文献[5-10]对爆破挤淤围堤的稳定性分析进行了不同形式的探讨和分析，得到不同的结论与适用范围。目前，工程中堤防稳定性计算方法仍遵循传统的弧形滑动法[11-15]。然而，计算结果与实际情况有很大不同，表明常用的稳定性分析方法无法有效地评估其稳定性。因此，正确分析深厚爆破挤淤围堤的稳定性是实际应用中亟待解决的问题。为了分析爆破挤淤围堤的变形和整体抗滑稳定性，采用有限元软件方法分析爆破挤淤围堤典型断面的稳定性。并分析不同挤淤效果、护底块石和极端海况对稳定性的影响。

1 工程概况

1.1 地理位置及水文条件

福建华电储运有限公司10JHJ、11JHJ泊位一期后方陆域工程位于福建连江县坑园镇颜歧村,驳岸总长约为433.2 m,其堤身下部结构为爆炸挤淤筑堤。前沿驳岸设计宽度20 m,顶标高+7.0 m,底标-35.2～-34.4 m 。由于弃方区边界不规则变化，施工时结合地形变化适当调整断面形状，确保爆炸挤淤底宽度大于30 m。

设计高水位：2.73 m,设计低水位：-3.34 m,

极端高水位：4.64 m,极端低水位：-4.37 m。

1.2 工程地质条件

经勘探和分析，拟建场地位于罗源湾东侧可门港区，属滨海及浅海地貌单元，滩涂原始地面标高为-2.73～4.86 m，现原始地貌由于受可门火电厂炸山填海和堆填挤淤作用，已经改变了原样，场地70%～80%的面积已成为填石陆域区，地面高程-2.12～12.85 m。

场地地址情况分为弃方覆盖区及非弃方取土区，弃方区主要为石方，混有土和淤泥，弃方区厚度变化不规则，弃方区下部为淤泥层，大部分厚度5～15 m，淤泥下为含泥角砾碎石、粘土等。非弃方区，顶标高+4.0～+8.0 m，面层为淤泥，淤泥厚度29～40 m(包括挤淤隆高的5～9 m)。爆破前后堤身断面如图1所示。

图1 爆破前后堤身断面

2 稳定性建模

2.1 参数取值

Plaxis程序moore-coulomb模型总共需要6个参数：土体不饱和重度、饱和重度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角。围堤及周围土体参数取值汇总于表1。

表1 围堤稳定性数值模拟所用参数取值

2.2 建模过程

图2 围堤及其周围土体模型

图3 围堤及其周围土体网格划分

采用Plaxis有限元软件建立围堤应力应变分析模型，建模过程如下：1)根据围堤的几何形状和周围土层情况，建立模型边界，如图2所示。2)定义材料属性、围堤填石和周围土层工程性质，根据表1中分别定义。3)划分网格，采用精细网格，如图3所示。4)设置地下水位高度，首先极端低水位设置在围堤外侧泥面处(在后面分布计算时，极端高水位设置在围堤内侧地表处)。5)生成初始应力。生成初始应力时，淤泥在自重下固结，围堤以及内侧的填土尚未填筑。6)设置计算步骤。计算时分三步：第一步为淤泥在自重下固结；第二步施加围堤以及内侧填土，激活围堤及内侧填土；第三步，设置极端高水位。7)求解以及结果分析。

3 典型断面围堤的整体滑动稳定性

西围堤和北围堤的整体抗滑安全系数采用Plaxis的phi-c缩减因子法计算得出，结果如表2和表3所示。可以看出，每个部分的整体滑动稳定安全系数大多大于1.0并且处于稳定状态。

表2 西堤的整体滑动稳定性的安全系数

4 围堤稳定性影响因素分析

为了研究深厚淤泥爆破挤淤堤在不同位移效应下的稳定性，计算了围堤不同挤淤效应(不同位移形式和置换率)的稳定性。

4.1 挤淤效应对围堤稳定性的影响

4.1.1 深厚淤泥完全被填石所置换

以北堤为例，堤坝及其周围土层的数值模拟结果如图4所示。可以看出，围堤内侧填土有向斜下的位移，最大可达0.56 m；出现应力集中发生在围堤底部，这是应力最大的地方。

表3 北堤的整体滑动稳定性的安全系数

图4 围堤底部淤泥全部被置换时稳定性数值模拟结果

当围堤底部全部被填石取代时，围堤的整体滑动安全系数为3.8，并且不会发生围堤的整体滑动破坏。

4.1.2 深厚淤泥部分被置换

分析围堤在20、40、60和80置换率时的稳定性，其中,置换率为20时的位移云图如图5所示(泥石混合层厚度为2 m)，围堤的最大位移为0.56 m，不同置换率对围堤的最大位移影响不大，原因是最大位移发生在堤内填土部分，围堤下部的未完全置换体距离该最大位移距离较大。当只有20%的置换率时，围堤的总滑动安全系数均为2.7，表明在上述几个置换率下围堤不会发生整体滑动破坏。对于其他情况，当混合层的厚度和置换率不同时，围堤的整体滑动安全系数见表4。可以看出，当泥石置换率达到10%且泥石混合层厚度为4 m时，将发生整体滑动破坏。可以看出，当置换率为0且为纯淤泥层、厚度达到2 m时，就处于整体滑动的边缘。

表4 不同泥石置换层厚度和置换率时围堤抗整体滑动安全系数

4.2 极端海况对稳定性的影响

当出现极端高水位时，极端高水位往往由风暴潮或台风引起，短短几十分钟或几个小时，水位就由正常水位上升到极端高水位。此段时间内，海水在围堤内的渗滤路径相对较短，围堤内侧尚未有水压力相平衡，故围堤外侧有一定深度的静水压力。外侧的静水压力与内侧的土压力能够平衡一部分，前者约是后者的一半。此时，围堤内侧填土的位移相对极端低水位时要小，最大位移仅为0.44 m，并且发生在围堤内侧的边缘处，而极端低水位时发生在围堤内侧的填土处；围堤外侧淤泥隆起的幅度有所减小；围堤底部也是应力集中区，最大剪应力仍然出现在堤脚附近，即70 kPa，如图6所示。

图6 在极端高水位下围堤稳定性数值模拟结果

由于未置换的淤泥层地基承载力不能满足要求，随固结时间的持续，围堤逐渐沉降，可能形成两种结果：首先，将围堤完全挤入淤泥层中，到达粉质粘土层的顶面；其次，在围堤荷载作用下，淤泥逐渐压缩固结，强度提高，可满足地基承载力的要求。两种结果均可导致围堤抗整体滑动稳定性提高，即围堤的整体抗滑动稳定性具有时间效应，随着时间稳定性逐渐增强。

当水位极低时，低于正常水位，抛石的有效应力增大，增加围堤的局部滑动、整体滑动、倾覆破坏的可能性。在极高的水位下，水位高于正常水位，并且抛石的有效应力减小，故极端高水位对围堤稳定性有利。

5 结 论

1)由于围堤内侧填土和围堤的水平力作用，围堤外侧淤泥有向上隆起的位移，达到0.1～0.2 m，围堤底部出现应力集中，这是应力最大的地方。

2)当淤泥完全被抛石置换时，围堤整体滑动安全系数为3.8，不会发生围堤的整体滑动破坏；当纯淤泥层厚度超过3.5 m时，围堤的整体滑动安全系数小于1.0，可能发生滑动。

3)围堤设置护底块石层后，围堤整体滑动稳定性有助于提高，设置长15 m、厚2 m的护底块石层后，不同挤淤效果下整体抗滑动安全系数提高0.03～0.05。

4)达到极高水位时，围堤的抗滑稳定性无影响；当极端低水位时，围堤抗滑稳定性不利。

5)如果围堤填土和堤内填土同时进行，围堤有发生整体滑动破坏的可能性；但随着时间的推移，围堤底部未置换的淤泥层强度逐渐增加，当增加到一定程度时，围堤内侧填土然后施工，可减小围堤整体滑动破坏的可能性。