MIDAS-GTS在防波堤工程中的應用

劉 俊，張國權

（1.中交天航港灣建設工程有限公司 東營港項目經理部，天津 300450；2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

作為港口最常用的附屬結構物，防波堤的施工過程中常常遇到自然條件的挑戰與實際情況的約束，因此在施工進程中就需要在穩定性允許的前提下合理地調整設計方案，以適應實際環境的制約和順利完成防波堤的建設工作。MIDAS-GTS作為一款成熟的大型有限元計算軟件，在巖土領域應用廣泛，本文嘗試用MIDAS-GTS模擬東營港南防波堤典型斷面的施工過程，將模擬結果與實測沉降對比，討論了數值模擬應用在實際工程進行預測分析的可行性[2]。

1 工程概述

東營港南防波堤工程位于東營港區現有南防沙堤的南側2 800 m處，建設南防波堤，與已建防潮堤連接，長度為 6 486 m，然后向北轉60°延伸1 548 m，南防波堤總長度為8 034 m。本文選取了軟土地基段的典型20 m斷面建模分析。

該段防波堤堤心采用拋石堤心。堤外側設混凝土擋浪墻，頂高程為6.5 m。堤頂高程為5.0 m。外側護面采用4 t扭王字塊體，其下為200～300 kg墊層塊石，墊層塊石下設袋裝碎石和土工布倒濾層。堤腳處設置200～300 kg塊石棱體。護底塊石重量為100～150 kg，寬度為8 m，護底塊石下設碎石墊層和土工布軟體排。防波堤內側設混凝土道牙，頂高程為 5.5 m。護面采用 300～500 kg塊石，其下為60～100 kg墊層塊石，堤腳處設置200～300 kg塊石棱體。護底塊石重量為60～100 kg，寬度為5 m，護底塊石下設碎石墊層和土工布軟體排，具體布置型式如圖1所示[3]。

圖1 防波堤斷面結構型式

工程場地深度區間上分為海相沉積層、海陸交互相沉積層、陸相沉積層三個地層單元，各土層自上而下分布情況如下（以標準水面為零點）[4]：

1）第一層淤泥質黏土：褐色，可塑，土質較均勻，黏性中等，中等壓縮性土，呈層狀分布，層厚1.9～3.0 m，平均厚度2.25 m，層面埋深2.5～5.5 m；承載力特征值fak=90 kPa。

2）第二層粉土：淺灰色，中密，主要成分以粉粒為主，含少量黏土，呈層狀分布，層厚 7.2～10.8 m，平均厚度9.7 m，層面埋深5.2～16.3 m；承載力特征值fak=110 kPa。

3）第三層黏土：灰褐色，可塑，土質均勻，黏性一般；呈層狀分布，層厚8.9～12.6 m，平均厚度10.3 m，層面埋深15.9～26.2 m；承載力特征值fak=100 kPa。

2 計算建模

2.1 簡化計算模型

本文計算采用MIDAS-GTS NX 2018版建模，選取簡化典型斷面做計算[6]，長度方向上取為50 m，計算模型整體尺寸為130 m×30 m×50 m，建模幾何參數見表1、表2。模型外觀及單元劃分等見圖2～圖4。

表1 模型外形尺寸及邊界坐標

表2 部分結構信息

圖2 典型斷面剖面單元劃分

圖3 計算模型整體單元劃分

圖4 簡化模型結構分布

2.2 參數選取

東營港南防波堤地處黃河沖積平原，地層多軟土層，經過現場勘測、適當簡化與調整，現將模型段周邊土層信息歸納如表3～表4。

表3 南防波堤土層參數

表4 南防波堤土層滲透系數 m/s

各結構補充物參數如表5～表6。

表5 南防波堤結構物參數

表6 南防波堤結構物滲透系數 m/s

2.3 數值模擬

劃分工況后進行數值模擬，對比實測數據，將對應節點的位移情況對應在相應時間點上，得到如表7所示關系。

表7 實測模擬情況沉降數據

再將工程計算中常用的雙曲線函數擬合模型帶入檢驗，發現數值模擬結果擬合程度較好，對比情況如圖5，可以用作沉降預測的一種參考值[7]。

圖5 實測模擬對比

3 結 語

1）在沉降初始階段，數值模擬結果與實測結果有一定程度上的差異，這與土層參數的選取與實際情況有差異相關，且軟土地基初次加載時的變形情況與摩爾庫倫模型有出入。

2）在模擬的全程中，實際沉降的變化趨勢與模擬結果和經驗值相似，均呈對數函數式增長。

3）在模擬最終階段，雖然暫無實測數據，但是模擬結果和經驗結果相差不大，說明數值模擬在實際工程的預測中具有一定的借鑒意義。

東營港南防波堤工程作為典型的軟土地基斜式拋石防波堤工程，其在防波堤工程案例上具有一定意義的代表性，本文通過MIDAS-GTS數值模擬與實際觀測數據對比分析，發現數值模擬對于軟土地基防波堤工程的預測分析具有借鑒意義，在實際工程中可以作為一定的參考依據。