底部殘余淤泥層對圍堰穩定性的影響研究

羅文迪 楊海燕 楊傳波 王 洋

(1.大連空港建設發展有限公司，遼寧 大連 116024； 2.濟南城建集團有限公司，山東 濟南 250000；3.山東省物化探勘察院，山東 青島 266000； 4.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

底部殘余淤泥層對圍堰穩定性的影響研究

羅文迪1楊海燕2楊傳波3王 洋4

(1.大連空港建設發展有限公司，遼寧 大連 116024； 2.濟南城建集團有限公司，山東 濟南 250000；3.山東省物化探勘察院，山東 青島 266000； 4.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

以某圍海造陸工程圍堰為研究對象，建立了三維數值模型，分析了淤泥層存在對圍堰穩定性的影響，研究結果表明，底部殘留淤泥層的存在使得圍堰與地基的變形出現了明顯的不協調；存在底部淤泥層的圍堰橫向變形明顯較大，圍堰有整體滑動破壞的趨勢；底部殘留淤泥的圍堰坡腳變形隨上覆荷載增大而增長的速率要明顯高于底部無淤泥的圍堰。

圍堰，淤泥，沉降變形，穩定性

0 引言

在圍海造陸工程中，圍堰起到分割工作區間、提供施工通道、透水擋泥的重大作用。在有淤泥層的海區，一般要求圍堰底部要進行清淤，保證圍堰的整體穩定，但是由于現場施工條件的限制及施工質量的監控不足，會出現很多圍堰底部殘留淤泥層的情況，殘余淤泥層的存在，使得圍堰的穩定性受到影響，當在上部荷載和后方堆載等不利情況作用下，會出現圍堰的破壞失穩情況。類似事故在全國各地都曾出現過，不但直接導致財產損失，還顯著影響了工程進度。

對于圍堰的穩定，學者們開展了一系列的研究，董志良等[1,2]總結了我國圍堰填筑的結構形式和施工技術，重點探討了拋石圍堰、沙袋圍堰、復合型沙袋圍堰等幾種常見圍堰的關鍵施工技術，張帥等[3]提出了按強度控制疏浚淤泥堆場圍堰穩定性的設計方法，高峰[4]進行了濱海軟基上膜袋圍堰穩定性分析及沉降預測的研究，陳欽立等[5]分析了大面積圍海造陸圍堰工程技術國內外現狀，并研究了其中的關鍵技術，范公俊等[6]對比了幾種圍堰施工技術在連云港灘涂區的應用。這些學者們的研究成果對提高圍堰的施工水平，合理分析圍堰的變形和沉降都起到了很好的推進作用，但是對底部殘留淤泥層的情況討論較少。

本文開展了底部淤泥層的存在對圍堰整體穩定性影響的研究，分析了圍堰在自重及外部荷載下的變形情況，對比了有無淤泥層存在對圍堰穩定性的影響，研究成果對于類似工程問題具有指導意義。

1 現場情況及模型

1.1 現場情況

本文的研究模型取自某圍海造陸工程的圍堰。圍堰頂部的寬度為20 m，深度為20 m，邊坡比例為1∶1。圍堰的主體結構為碎石土，其前方為挖泥的海域，后方為吹填形成的陸域。圍堰所在區域原來有10多米厚的淤泥，在圍堰建設之前，通過挖泥船將底部的淤泥進行了清理，但是由于淤泥層分布的不均勻及海上作業受風浪條件的影響導致淤泥層的清理并不徹底，在局部區域發現有淤泥層的存在。為了確定底部淤泥層存在圍堰整體穩定性的影響，進行了本論文的研究和討論。

1.2 模擬工況

根據有無底部淤泥的情況，分兩種情況對圍堰的整體穩定進行了分析，如圖1a)所示的為底部殘留2 m淤泥層的情況，如圖1b)所示為無淤泥層殘留，圍堰直接建設在黏土層地基上。分別對圍堰頂部施加不同大小的荷載(從80 kN到16 kN之間)，模擬圍堰頂部的汽車荷載和其他附加荷載情況。

2 模擬結果分析

2.1 自重荷載下圍堰的變形分析

如圖2所示為圍堰在自重荷載作用下沉降變形穩定后的截面變形云圖，其中,圖2a)為底部殘留淤泥層的工況，圖2b)為底部無殘留淤泥層的工況。當圍堰底部有淤泥層存在的時候，截面變形在淤泥層處出現了明顯的不連續，這是因為淤泥本身的抗剪強度低，在受到豎向荷載作用時會發生較大的變形，從而使得圍堰的變形與地基的變形出現了明顯的不協調，顯著的降低了兩者的整體性，對圍堰的整體穩定性產生不利影響。底部無殘留淤泥的圍堰，整個截面的變形較為連續，圍堰及吹填淤泥自重引起的變形均勻的傳遞到地基中，圍堰和地基的變形協調，可以視作有機的整體，圍堰整體的穩定性有明顯的提升。

2.2 外加荷載下圍堰的變形分析

圍堰可以承受一定強度的荷載，可以用作臨時道路、臨時堆場，但是其上覆荷載的強度需要核算。在受到上覆荷載的情況下，圍堰的變形如圖3所示，圍堰的整體變形以向下的固結沉降為主，內側受到淤泥的限制，變形有明顯向外擴張的趨勢。與自重荷載作用下的分析結果相似，淤泥層的存在明顯降低了圍堰和地基變形的協調性，底部殘留淤泥層使得圍堰底部變形有明顯的“擴底”的趨勢，無殘留淤泥層的圍堰截面變形呈現“倒錐形”。

圖4結果為圍堰頂部承受160 kPa荷載的情況下，底部有淤泥和底部無淤泥兩種情況下橫向變形的對比圖，其中圖4a)為圍堰底部存在未清理干凈的淤泥層，圖4b)為底部不存在淤泥層。從圖4中可以很明顯的看出，底部不存在淤泥層的圍堰外側坡腳位置的變形沒有明顯異常，整體橫向變形分布較為均勻。當底部存在淤泥層的時候，在圍堰外側的坡腳位置有非常明顯的側向變形，且整個截面中變形最大的區域即為坡腳的位置，說明在頂部荷載作用下，底部有淤泥存在的圍堰已經產生了明顯的整體滑動趨勢，存在一定的安全隱患。

2.3 不同荷載情況下的變形情況

如圖5所示為圍堰坡腳底部監測點的位移隨計算過程的變化情況，在圍堰頂部無附加荷載僅在圍堰自重影響下圍堰坡腳底部的變形量趨于穩定的值分別是0.08 m(無淤泥)和0.12 m(有淤泥)，兩者相差的絕對量較小，但是相對量卻仍有50%的增長，說明底部殘留淤泥層對無上覆荷載圍堰的變形也有顯著影響。

當上覆荷載作用于圍堰頂部時，圍堰坡腳底部監測點的變形量有明顯的增大，可以看到底部存在淤泥的工況下，圍堰坡腳的變形量增長速率明顯更快，在160 kPa荷載作用下，坡腳處監測點的變形量達到了0.56 m，相較于底部無淤泥情況下的0.29 m，已經幾乎增長100%，相比較于自重荷載作用下50%有了顯著提升。

計算分析結果表明，底部淤泥的存在使得圍堰的變形有明顯變大的趨勢，上部荷載的增加會導致圍堰坡腳變形相對量和絕對量都有顯著增加(見圖6)。在實際工程中不能因為在填筑施工階段變形量沒有明顯差異，就誤認為底部淤泥的影響不大，在后期其他附加荷載的作用下，底部殘留淤泥層就會對整體穩定性產生巨大影響。

3 結語

針對圍海造陸工程中經常出現的圍堰底部淤泥清理不徹底的問題，通過建立三維的模型進行研究，對比分析底部有、無淤泥兩種工況在自重及外部荷載作用下的穩定性，得出的主要結論如下：1)底部殘留淤泥層的存在使得圍堰與地基的變形出現了明顯不協調，顯著的降低了兩者的整體性，對圍堰的穩定性產生不利影響。2)底部有淤泥存在的圍堰橫向變形明顯增大，圍堰的坡腳處是模型變形最大的區域，這說明圍堰有整體滑動破壞的趨勢。3)圍堰坡腳處的變形受到上覆荷載的影響明顯，底部存在淤泥的圍堰坡腳變形隨上部荷載增大而增長的速率要明顯高于底部無淤泥的圍堰。

[1] 董志良，張功新，李 燕，等．大面積圍海造陸創新技術及工程實踐[J]．水運工程，2010(10)：54-67．

[2] 董志良，劉 嘉，朱幸科，等.大面積圍海造陸圍堰工程關鍵技術研究及應用[J]．水運工程，2015(2)：168-175.

[3] 張 帥，黎 兵，唐 強，等.按強度控制疏浚淤泥堆場圍堰穩定性的設計方法[J].水利水電科學進展，2008，28(6)：57-61．

[4] 高 峰.濱海軟基上膜袋圍堰穩定性分析及沉降預測研究[J]．巖土力學，2010，31(4)：1233-1237．

[5] 陳欽立，周定剛.大面積圍海造陸圍堰工程關鍵技術研究及應用[J].城市建設理論研究(電子版)，2015，5(25)：2206-2207.

[6] 范公俊，賈延權，王艷紅.幾種圍堰施工技術在連云港灘涂區的應用[J].水利水電科學進展，2011，31(1)：62-65．

Study on the effect of remaining silt layer at the bottom of cofferdam on the stability

Luo Wendi1Yang Haiyan2Yang Chuanbo3Wang Yang4

(1.DalianHarborConstructionandDevelopmentCo.,Ltd,Dalian116024,China; 2.JinanUrbanConstructionGroupCo.,Ltd,Jinan250000,China; 3.ShandongGeophysicalandGeochemicalInstitute,Qingdao266000,China; 4.TianjinMarineTrafficEngineeringAcademy,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

Taking some cofferdam project as the research object, the paper establishes the three-dimension model, analyzes the influence of the remaining silt layer on the cofferdam stability, proves by the research result that the remaining silt layer can lead to the discordant deformation on the cofferdam and foundation, the horizontal deformation of the cofferdam of the layer is evident and the cofferdam has the trend of the whole slide, and indicates the velocity of the deformation of the increasing cofferdam bottom of the remaining silt layer is higher than the one of the cofferdam without the remaining silt layer.

cofferdam, silt, settlement deformation, stability

1009-6825(2017)05-0111-03

2016-11-27

羅文迪(1989- )，男，助理工程師

TU470.3

A