附加荷載對人工島護坡穩(wěn)定性影響研究

范思冬

中國石油冀東油田公司

隨著近海石油工業(yè)勘探開采技術的發(fā)展，我國環(huán)渤海近海區(qū)域相繼修建了多個大型灘海人工島工程。受軟土基礎沉降、人工島結(jié)構(gòu)變形和海洋動力共同作用，人工島防浪墻身出現(xiàn)局部錯位沉降，人工島護坡扭“王”字塊局部下滑移位，人工島與碼頭銜接處出現(xiàn)明顯不均勻沉降，人工島上管線基礎整體沉降，管線與設備連接法蘭出現(xiàn)錯位。在此情況下，在臨坡位置進行新的鉆井施工，施工過程中將產(chǎn)生新的附加荷載，超出了原人工島護坡結(jié)構(gòu)的安全設計荷載能力。附加荷載將進一步加大護坡變形，影響護坡整體穩(wěn)定性，給人工島的生產(chǎn)運行造成安全隱患。

季宏、張書紅[1]針對人工島施工期提出了施工變形監(jiān)測技術。焦志斌等[2-4]基于人工島施工期安全監(jiān)測與極限平衡分析，提出了人工島監(jiān)測的預警模式和自動化安全監(jiān)測方法。張書紅等[5]基于工程實踐對人工島施工期和運行期的沉降提出了處理辦法。葉秋紅、凌道盛[6]提出了基于矢量和法的護坡三維極限平衡穩(wěn)定分析法，計算結(jié)果表明，完全考慮條間力作用將提高護坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。楊健等[7]采用護坡穩(wěn)定三維極限(上限)分析方法，對某地區(qū)山體在施工期和運行期的三維抗滑穩(wěn)定性進行了分析研究。

本文以NP1-3D護坡為例，建立三維有限元數(shù)值模型，進行護坡變形與穩(wěn)定性計算，分析附加荷載對護坡變形和穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

NP1-3D位于河北省唐山市灤南縣，人工島呈近似橢圓形布置，擬在NP1-3D南側(cè)護坡進行鉆井作業(yè)，需要評估鉆井作業(yè)對人工島護坡變形和穩(wěn)定性的影響。人工島主要水位特征值見表1。

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

人工島南側(cè)海堤場地地層在勘探深度內(nèi)，從上至下由填土及第四紀全新世海相沉積形成的土層構(gòu)成，根據(jù)土層特征及組合關系劃分為6個主層、3個亞層，以粉砂、粉質(zhì)黏土、粉土、細砂等土層為主。結(jié)合鉆井施工所確定荷載水平、荷載作用位置等資料，開發(fā)建立三維有限元數(shù)學模型，研究臨坡鉆井時不同水位條件下護坡整體變形及穩(wěn)定特性，并對護坡整體穩(wěn)定性進行評估。

2 三維有限元數(shù)值模型建立

根據(jù)土層分布，考慮到淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層強度較弱且位于淺層，對護坡的整體穩(wěn)定影響較大，選取存在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的地層作為計算斷面，據(jù)此建立三維模型，進行護坡整體穩(wěn)定性計算，計算模型見圖1。模型寬度取80 m，地層深度取40 m，模型長度200 m。

圖1 三維有限元數(shù)值模型Fig.1 Three-dimensional finite element numerical model

計算模型中地基土的應力-應變關系采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，計算所需土層基本力學參數(shù)見表2。計算模擬中主要考慮以下工況：初始靜水壓力和初始地應力、人工島吹填施工、鉆井施工。

表2 有限元計算采用土層力學參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of used soil layer got by finite element calculation

3 計算結(jié)果與分析

表3為計算斷面在不同水位條件下臨坡鉆井作業(yè)時三維有限元數(shù)值計算結(jié)果。設計低水位時，鉆井施工作業(yè)后，護坡的最大沉降和水平位移分別增大63.5 mm和16.5 mm，最大沉降位置出現(xiàn)在鉆井作用位置附近，最大水平位移位置位于坡腳附近；由于沉降增幅大于水平位移增幅，因此與設計斷面比較，變形后的護坡坡度更小。設計低水位時人工島護坡結(jié)構(gòu)的變形與應力計算結(jié)果見圖2和圖3。隨著鉆井作業(yè)的實施，護坡土體的平均法向應力和偏應力都有不同程度增大，意味著土體處于更高的應力狀態(tài)水平，特別是偏應力水平增大，土體受到更大的剪切作用，對護坡整體穩(wěn)定性不利，臨坡鉆井作業(yè)后護坡的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)由1.380下降為1.235。從潛在滑動面來看，由于淺層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的存在，潛在滑動面底部主要從該層通過，而潛在滑動面頂部則從距坡肩約7.8 m處擴展至15.3 m處，設計低水位時臨坡鉆井作業(yè)潛在滑動面見圖4a。

表3 不同水位條件下鉆井施工對護坡變形與穩(wěn)定性的影響Tab.3 Effect of drilling construction on slope protection deformation and stability under different water level conditions

圖2 鉆井作業(yè)條件下人工島護坡變形計算結(jié)果（設計低水位）Fig.2 Deformation calculation results of artificial island slope protection under drilling conditions(under the designed low water level)

圖3 鉆井作業(yè)條件下人工島護坡應力計算結(jié)果（設計低水位）Fig.3 Stress calculation results of artificial island slope protection under drilling conditions(under the designed low water level)

圖4 鉆井作業(yè)條件下人工島護坡潛在滑動面Fig.4 Potential slip surface of artificial island slope protection under drilling conditions

極端低水位條件時，鉆井施工作業(yè)后，護坡最大沉降和水平位移增量分別為78.4 mm和26.3 mm，最大沉降位置出現(xiàn)在鉆井作用位置附近，最大水平位移位于坡腳附近。同樣，隨著鉆井作業(yè)的實施，護坡土體的平均法向應力和偏應力都有不同程度增大，對護坡整體穩(wěn)定性不利，臨坡鉆井作業(yè)后護坡的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)由1.290下降為1.206。從潛在滑動面來看，由于淺層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的存在，潛在滑動面底部主要從該層通過，而潛在滑動面頂部則從距坡肩約7.2 m處擴展至9.5 m處，極端低水位時臨坡鉆井作業(yè)潛在滑動面見圖4b。

對比不同水位計算結(jié)果可以看出，當?shù)掏馑惶幱诘臀唬ㄈ鐦O端低水位）時，護坡的安全系數(shù)較小。這主要是由于堤外水位的降低會導致堤內(nèi)浸潤線的下降，從而增大了堤身自重荷載，土體的應力水平較高，變形與應力的增大導致了護坡整體穩(wěn)定性的降低，但鉆井條件下護坡的整體穩(wěn)定性滿足要求。

鉆井作業(yè)期間，進行了臨坡變形監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，鉆井期間防浪墻最大沉降8.5 mm，護坡最大沉降6.9 mm，護坡水平位移最大值4.8 mm，變化值滿足穩(wěn)定性要求，但南側(cè)和東側(cè)觀測值相對較大，后期應跟蹤觀測。

4 結(jié)論

采用三維有限元數(shù)值模擬方法對人工島護坡在臨坡鉆井作業(yè)情況下的穩(wěn)定性進行了分析，分析結(jié)果表明：鉆井過程中水位的高低與人工島護坡安全系數(shù)的高低呈正相關。一般來說，相同條件下，水位降低，安全系數(shù)也降低；水位升高，安全系數(shù)也升高。鉆井過程中水位的高低與鉆井后人工島護坡安全系數(shù)的降低比例呈正相關。一般來說，水位越低，鉆井后人工島護坡安全系數(shù)的降低比例越小。