MIDAS-GTS在防波堤工程中的应用

刘 俊，张国权

（1.中交天航港湾建设工程有限公司 东营港项目经理部，天津 300450；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

作为港口最常用的附属结构物，防波堤的施工过程中常常遇到自然条件的挑战与实际情况的约束，因此在施工进程中就需要在稳定性允许的前提下合理地调整设计方案，以适应实际环境的制约和顺利完成防波堤的建设工作。MIDAS-GTS作为一款成熟的大型有限元计算软件，在岩土领域应用广泛，本文尝试用MIDAS-GTS模拟东营港南防波堤典型断面的施工过程，将模拟结果与实测沉降对比，讨论了数值模拟应用在实际工程进行预测分析的可行性[2]。

1 工程概述

东营港南防波堤工程位于东营港区现有南防沙堤的南侧2 800 m处，建设南防波堤，与已建防潮堤连接，长度为 6 486 m，然后向北转60°延伸1 548 m，南防波堤总长度为8 034 m。本文选取了软土地基段的典型20 m断面建模分析。

该段防波堤堤心采用抛石堤心。堤外侧设混凝土挡浪墙，顶高程为6.5 m。堤顶高程为5.0 m。外侧护面采用4 t扭王字块体，其下为200～300 kg垫层块石，垫层块石下设袋装碎石和土工布倒滤层。堤脚处设置200～300 kg块石棱体。护底块石重量为100～150 kg，宽度为8 m，护底块石下设碎石垫层和土工布软体排。防波堤内侧设混凝土道牙，顶高程为 5.5 m。护面采用 300～500 kg块石，其下为60～100 kg垫层块石，堤脚处设置200～300 kg块石棱体。护底块石重量为60～100 kg，宽度为5 m，护底块石下设碎石垫层和土工布软体排，具体布置型式如图1所示[3]。

图1 防波堤断面结构型式

工程场地深度区间上分为海相沉积层、海陆交互相沉积层、陆相沉积层三个地层单元，各土层自上而下分布情况如下（以标准水面为零点）[4]：

1）第一层淤泥质黏土：褐色，可塑，土质较均匀，黏性中等，中等压缩性土，呈层状分布，层厚1.9～3.0 m，平均厚度2.25 m，层面埋深2.5～5.5 m；承载力特征值fak=90 kPa。

2）第二层粉土：浅灰色，中密，主要成分以粉粒为主，含少量黏土，呈层状分布，层厚 7.2～10.8 m，平均厚度9.7 m，层面埋深5.2～16.3 m；承载力特征值fak=110 kPa。

3）第三层黏土：灰褐色，可塑，土质均匀，黏性一般；呈层状分布，层厚8.9～12.6 m，平均厚度10.3 m，层面埋深15.9～26.2 m；承载力特征值fak=100 kPa。

2 计算建模

2.1 简化计算模型

本文计算采用MIDAS-GTS NX 2018版建模，选取简化典型断面做计算[6]，长度方向上取为50 m，计算模型整体尺寸为130 m×30 m×50 m，建模几何参数见表1、表2。模型外观及单元划分等见图2～图4。

表1 模型外形尺寸及边界坐标

表2 部分结构信息

图2 典型断面剖面单元划分

图3 计算模型整体单元划分

图4 简化模型结构分布

2.2 参数选取

东营港南防波堤地处黄河冲积平原，地层多软土层，经过现场勘测、适当简化与调整，现将模型段周边土层信息归纳如表3～表4。

表3 南防波堤土层参数

表4 南防波堤土层渗透系数 m/s

各结构补充物参数如表5～表6。

表5 南防波堤结构物参数

表6 南防波堤结构物渗透系数 m/s

2.3 数值模拟

划分工况后进行数值模拟，对比实测数据，将对应节点的位移情况对应在相应时间点上，得到如表7所示关系。

表7 实测模拟情况沉降数据

再将工程计算中常用的双曲线函数拟合模型带入检验，发现数值模拟结果拟合程度较好，对比情况如图5，可以用作沉降预测的一种参考值[7]。

图5 实测模拟对比

3 结 语

1）在沉降初始阶段，数值模拟结果与实测结果有一定程度上的差异，这与土层参数的选取与实际情况有差异相关，且软土地基初次加载时的变形情况与摩尔库伦模型有出入。

2）在模拟的全程中，实际沉降的变化趋势与模拟结果和经验值相似，均呈对数函数式增长。

3）在模拟最终阶段，虽然暂无实测数据，但是模拟结果和经验结果相差不大，说明数值模拟在实际工程的预测中具有一定的借鉴意义。

东营港南防波堤工程作为典型的软土地基斜式抛石防波堤工程，其在防波堤工程案例上具有一定意义的代表性，本文通过MIDAS-GTS数值模拟与实际观测数据对比分析，发现数值模拟对于软土地基防波堤工程的预测分析具有借鉴意义，在实际工程中可以作为一定的参考依据。