深厚軟土地基上新建煤場與海堤的最小安全距離分析

陳 亮

(華東電力設(shè)計院，上海 200331)

深厚軟土地基上新建煤場與海堤的最小安全距離分析

陳 亮

(華東電力設(shè)計院，上海 200331)

軟土在我國廣泛分布，其工程性質(zhì)極差。本文結(jié)合實際工程，運用傳統(tǒng)極限平衡法和FLAC3D數(shù)值計算方法，綜合分析了深厚軟土地基上新建煤場大面積堆載對鄰近海堤地基穩(wěn)定性的影響，提出了煤場與海堤之間最小的安全距離。

軟土地基；最小安全距離；極限平衡法；FLAC3D。

1 概述

軟土在我國沿海一帶分布較廣，如渤海灣、天津、長江三角洲以及浙江、福建等地的沿海地區(qū)都存在海相沉積的深厚軟土層，普遍具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性、高靈敏度和低強度等特性，工程性質(zhì)極差。

近年來我國沿海軟土地區(qū)建設(shè)了數(shù)量眾多的燃煤火力發(fā)電廠，為便于運輸，其新建煤場布置往往緊靠廠區(qū)外側(cè)的海堤。由于軟土地基的性質(zhì)較差，當(dāng)煤場與海堤的間距過小時，煤場的大面積堆載作用可能會對海堤的地基穩(wěn)定性造成明顯的不利影響，而兩者間距過大時，則又會造成電廠建設(shè)用地的浪費。針對這種現(xiàn)狀，對軟土地基進行專門的穩(wěn)定性分析，提出新建煤場與海堤之間最小的安全距離是十分必要的。

本文以我國沿海某大型火力發(fā)電廠為例，通過對深厚軟土地基上新建煤場的大面積堆載對海堤地基穩(wěn)定性影響的分析，論述相應(yīng)的計算方法，供類似工程參考。

2 工程概況

本工程采用斜坡式土石混合堤結(jié)構(gòu)，南北向布置，軸線長887m，按1級堤防工程設(shè)計，堤頂高程為6.5 m，堤頂寬度為8.0 m，海堤外坡采用1∶2.5復(fù)式斷面，內(nèi)坡采用1∶5，外海側(cè)采用細石混凝土灌砌塊石護面，結(jié)構(gòu)斷面后背采用土體閉氣并用無紡反濾布進行反濾。該海堤已建成，建設(shè)時采用了分級堆載+插設(shè)塑料排水板加快排水固結(jié)的地基處理方法，現(xiàn)處于正常運行期。

電廠新建煤場長約580 m，寬約220 m，南北向布置。設(shè)計最大堆煤高度12 m，為保證煤場地基的穩(wěn)定性，擬采用分級堆載，煤堆休止角按46°考慮。海堤及新建煤場的剖面示意圖見圖1。

圖1 海堤、煤場剖面示意圖

3 場地工程地質(zhì)條件

工程場地所處地貌類型為低山丘陵和海灣灘涂，場地內(nèi)第四系海相沉積軟土層厚度變化較大，靠近山腳處約0 m～15.0 m，向大海方向逐漸變厚，海堤處軟土厚度普遍大于40 m。

場地內(nèi)主要地層的分布情況描述如下：

①填土：主要為電廠建設(shè)時回填的開山土石，松散～稍密，厚度約3.0 m～6.0 m。

②淤泥：流塑，夾少量腐植質(zhì)和貝殼碎屑，層厚約10.6 m～28.5 m。

④淤泥質(zhì)粘土：軟塑，含少量腐植質(zhì)及貝殼碎片，具片狀層理，層厚約4.4 m～23.0 m。

⑤2碎石土：中密，碎石粒徑4 cm～10 cm，少量大于10 cm，碎石成分為凝灰熔巖，含量50%～60%，碎石間充滿泥質(zhì)和砂礫，未膠結(jié)，層頂埋深約43.5 cm～53.0 m，層厚約3.8 m～17.0 m。

⑥2中等風(fēng)化凝灰熔巖：堅硬，節(jié)理發(fā)育，巖芯呈短柱和碎塊狀。

根據(jù)本工程場地的地震安全性評價報告，在50年超越概率10%情況下，場地地表水平峰值加速度為0.057 g，對應(yīng)的地震基本烈度為6°。

4 影響海堤地基穩(wěn)定性因素分析

地基土體結(jié)構(gòu)類型是穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。從本工程的地質(zhì)條件來看，場地內(nèi)分布有深厚的軟土層，其滲透性小，抗剪強度較低，工程性質(zhì)不良，在外部荷載及特定條件下，當(dāng)土體內(nèi)部某個面上的剪應(yīng)力達到或超過了它的抗剪強度時，原有的穩(wěn)定平衡遭到破壞，土體發(fā)生剪切變形，極有可能會引起軟土地基的大規(guī)模整體滑移。根據(jù)以往經(jīng)驗，軟土地基破壞模式以圓弧滑動為主。

顯然，影響本工程海堤地基穩(wěn)定性的內(nèi)在因素是深厚軟土及其不良工程性質(zhì)，而外在因素則是煤場的大面積堆載、潮水、地形及地震作用等。

5 海堤穩(wěn)定性計算與分析

5.1 計算工況

由于本工程海堤已處于正常運行期，故不需進行海堤施工期的整體抗滑穩(wěn)定計算。按《海堤工程設(shè)計規(guī)范》(SL435-2008)10.2.2條規(guī)定，僅需進行正常運用情況及非常運用情況Ⅱ下的穩(wěn)定計算。另外，煤場的堆載能起到反壓海堤背海坡側(cè)坡腳的效果，對海堤內(nèi)側(cè)的穩(wěn)定性是有利的，故計算時只需考慮海堤臨海坡側(cè)的穩(wěn)定性即可，即可能滑動面的剪出口位于海堤外側(cè)。

具體的計算工況及其水位組合見表1。

表1 計算工況及水位組合

5.2 安全系數(shù)

本海堤工程的級別為1級，按《海堤工程設(shè)計規(guī)范》(SL435-2008)10.2.3條規(guī)定，采用瑞典圓弧滑動法進行海堤整體抗滑穩(wěn)定計算時，正常運用條件下安全系數(shù)不應(yīng)小于1.30，非常運用條件Ⅱ下安全系數(shù)不應(yīng)小于1.10。

5.3 計算參數(shù)

做抗滑穩(wěn)定性分析時，土的抗剪強度指標(biāo)可采用三軸抗剪強度、直剪指標(biāo)等，具體應(yīng)根據(jù)海堤的工作狀態(tài)和采用的計算方法選用不同的強度指標(biāo)。本文中各土層的物理力學(xué)計算參數(shù)是綜合地勘報告的實測結(jié)果和當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)工程經(jīng)驗確定的，并考慮到海堤下土體經(jīng)長期排水固結(jié)，物理力學(xué)性質(zhì)有所改善，適當(dāng)提高了海堤下土體的計算參數(shù)，但總體上計算參數(shù)仍偏于保守。具體取值見表2。

表2 計算參數(shù)

5.4 極限平衡法計算

⑴計算方法和原理

極限平衡法是邊坡穩(wěn)定計算中最廣泛采用的方法，它只需提供少量力學(xué)參數(shù)就能計算出邊坡設(shè)計需要的穩(wěn)定性指標(biāo)。本文針對地基的可能滑動形式，采用瑞典圓弧滑動法[2]進行計算，其計算簡圖見圖2。

圖2 圓弧滑動法計算簡圖

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K按式1計算。

式中： K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W1i、W2i、W＇

2i、W＇3i為第i個土條浸潤線以上的土體的天然重量、浸潤線與外坡水位線之間的土體的飽和重量、浸潤線與外坡水位線之間的土體的浮重量、外坡水位線以下的土體浮重量，kN；αi為第i個土條底面中點的徑向與豎直方向的夾角，(°)；φi、Ci為第i個土條底部土體的總抗剪強度指標(biāo)，(°、kPa)。

⑵計算結(jié)果及分析

綜合分析場地的地層分布和海堤外側(cè)的地形情況，本文選取3個最不利的海堤斷面，按新建煤場與海堤的不同間距條件，對海堤臨海坡的穩(wěn)定性進行反復(fù)試算。

計算結(jié)果表明，當(dāng)煤堆坡腳距海堤內(nèi)側(cè)堤腳9 m時，在水位降落工況下，3個剖面計算得到的最小安全系數(shù)均超過1.50，滿足不小于1.30的要求；而在地震工況下，3個剖面的計算得到的最小安全系數(shù)值均略大于1.10，較接近1.10，這說明此時煤場堆載對海堤穩(wěn)定性的影響達到規(guī)范要求的安全臨界狀態(tài)。3個剖面的計算結(jié)果見表3，典型1—1′剖面的計算滑面圖見圖3。

表3 穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖3 1—1′剖面大圓弧滑動計算滑面圖(水位降落工況、地震工況)

從滑面圖可以看到，當(dāng)煤堆坡腳距海堤內(nèi)側(cè)堤腳9 m時，在水位降落工況下，滑動面剪出口位置在-115 m～-160 m(以海堤臨海坡坡腳作為原點，靠海側(cè)取負值，下同)，滑動面剪入口位置在130 m～150 m，即距煤堆坡腳30 m～50 m處；在地震工況下，滑動面剪出口位置在-130 m～-180 m，滑動面剪入口位置在130 m～150 m，即距煤堆坡腳30 m～50 m處。兩種工況下的滑動面弧底埋深約-40 m～-50 m，位于基巖面以上的軟土中。

5.5 FLAC3D數(shù)值分析

⑴ 算方法和原理

考慮到本文探討的是巖土大變形問題，而FLAC3D程序在計算過程中允許材料發(fā)生屈服及流變，可以摸擬巖土的力學(xué)性能，尤其在彈塑性分析、大變形分析方面有其獨到的優(yōu)點，因此本文采用FLAC3D進行數(shù)值模擬，對海堤的變形和穩(wěn)定性做進一步分析。

由于上述1—1′剖面涉及海堤外側(cè)水下地形最為復(fù)雜，相對2—2′、3—3′剖面而言，發(fā)生整體滑動的可能性更大，故本次FLAC3D分析只針對1—1′剖面進行，重點關(guān)注當(dāng)煤堆坡腳距海堤內(nèi)側(cè)堤腳9 m時，煤場堆載是否會造成超大規(guī)模的圓弧滑動。

⑵計算模型

FLAC3D建模時，若模型嚴格與原始地形匹配，則單元剖分會過于精細，計算耗時太久，而對整體圓弧的穩(wěn)定性計算結(jié)果則影響甚微，故本文建模時，適當(dāng)忽略一些細節(jié)的地形變化。具體的計算模型見圖4，計算模型中土層分組圖見圖5。

圖4 FLAC3D模型圖

圖5 FLAC3D土層分組圖

對圖4、圖5表示的計算模型說明如下：

①模型參數(shù)：x方向，海堤外側(cè)距離取150 m，海堤寬度取90 m，海堤內(nèi)側(cè)預(yù)留9 m(即煤堆坡腳到海堤內(nèi)側(cè)坡腳距離9m)，煤堆寬度取72 m；z方向，模型底部定義為0 m(坐標(biāo)原點在模型左下角)，模型最左側(cè)高48 m，模型局部最低處高46 m，海堤底面標(biāo)高60 m，海堤頂面標(biāo)高66.5 m，煤堆底面標(biāo)高63 m(煤堆堆高12 m，自設(shè)計場坪標(biāo)高3 m起算)，煤堆頂面標(biāo)高75 m；y方向，取3 m，以保證FLAC3D差分計算的精度。

②網(wǎng)格剖分：x方向3m，z方向2 m，y方向3 m，整個模型共劃分為3131個區(qū)域單元，6520個節(jié)點。

③邊界條件：模型左右側(cè)x方向約束，模型底部z=0處x、y、z三個方向約束，垂直紙面y方向約束。

④煤場堆載的模擬：煤場堆載是按分級加載進行的，F(xiàn)LAC3D針對該種情形有兩種處理方式：分層堆載，一層層建實體單元(煤堆)的模型，或者用等量的荷載替代實體單元(煤堆)分批次作用于地基上，本文選用后一種方式模擬煤場的堆載。

⑤土體模型：土體本構(gòu)模型取摩爾-庫侖彈塑性模型，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)選取同極限平衡法。

⑶計算結(jié)果及分析

FLAC3D中判定潛在滑動面存在的依據(jù)，有三類圖：位移矢量圖或位移云圖、剪切應(yīng)變率云圖、塊狀態(tài)圖。本文將煤場堆載前后的模型位移云圖和剪切應(yīng)變率云圖對比，以分析煤場堆載對海堤的影響。

煤場堆載前的模型位移云圖和剪切應(yīng)變率云圖見圖6和圖7。從圖6可以看出，煤場堆煤前模型位移最大值出現(xiàn)在海堤處，其主要原因是地基在海堤自重作用下產(chǎn)生了變形。從圖7可以看出，在屏蔽海底陡降坡處剪切變形較大的區(qū)域后，整個模型顯示出潛在的從海堤背水坡到海底陡降處的圓弧滑動面，但其剪切應(yīng)變率在1E-9數(shù)量級，非常微小，說明煤場堆載前海堤是相當(dāng)穩(wěn)定的。

圖6 未堆煤前模型位移云圖

圖7 未堆煤前模型剪切應(yīng)變率云圖

煤場堆載后，由堆煤荷載造成的新增位移云圖見圖8。可以看出，雖然位移云圖顯示出模型存在超大圓弧滑動面的可能，但新增的位移值量級在厘米級，說明當(dāng)煤堆坡腳距海堤內(nèi)側(cè)堤腳9 m時，海堤整體上仍是穩(wěn)定的。

圖8 堆煤后模型位移云圖

5.6 綜合分析

分析極限平衡法和FLAC3D數(shù)值模擬的結(jié)果，可以看出，雖然這兩種計算方法反映的滑動面位置略有差異，但極限平衡法與FLAC3D中的潛在破壞面形式非常相似，F(xiàn)LAC3D數(shù)值分析結(jié)果對由極限平衡法得到的穩(wěn)定性計算結(jié)果也做了較好的驗證，因此綜合判定本工程新建煤場與海堤之間最小的安全距離取為9 m是合理的。

6 結(jié)語

在充分利用建設(shè)用地的基礎(chǔ)上，確保海堤的穩(wěn)定性對于沿海軟土地區(qū)的電力工程而言，是一個極其重要的課題。本文結(jié)合實際工程，運用傳統(tǒng)極限平衡法和FLAC3D數(shù)值計算方法，分析了深厚軟土地基上新建煤場大面積堆載對鄰近海堤地基穩(wěn)定性的影響，提出了煤場與海堤之間最小的安全距離，對本工程建設(shè)起到了較好的指導(dǎo)作用，其計算方法對類似工程也有一定的借鑒意義。由于巖土工程普遍存在一定程度的不確定性，在類似工程的穩(wěn)定性評價中，應(yīng)盡量綜合運用多種計算方法進行定性和定量分析，以提高結(jié)論的可靠性。

[1]SL435-2008，海堤工程設(shè)計規(guī)范[S]．

[2]黃求順，張四平，胡岱文．邊坡工程[M]．重慶：重慶大學(xué)出版社，2003．

[3]盧延浩．巖土數(shù)值分析[M]．北京：中國水利水電出版社，2008．

Stability Analysis of Sea Dike In fl uenced by the Nearby Coal Yard Stowage on Deep Soft Clay Ground

CHEN Liang
(East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200331, China)

Soft clay is widely distributed in our country and its engineering properties are very bad. According the project sample, in this paper the traditional limit equilibrium method and FLAC3D are comprehensively used to analyze the stability of the sea dike on deep soft clay ground in fl uenced by the nearby new-bulit widespread coal yard stowage, the minimum safe distance between the coal yard and the sea dike is raised.

soft clay ground; minimum safe distance; limit equilibrium method; FLAC3D.

TU4

B

1671-9913(2011)01-0010-05

2010-09-07

陳亮(1979- )，男，江蘇啟東人，碩士，工程師，注冊土木工程師(巖土)。