堤身開槽對防波堤結構穩定性影響分析

李 誠

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

防波堤是港口工程的重要組成部分，建造成本在港口工程建設中占有很高的比例。防波堤的作用主要是防浪，還可以防沙[1]，如開槽、定向鉆等施工可能會影響防波堤穩定性、縮短防波堤壽命，甚至會導致防波堤在施工期或施工后失穩坍塌，造成港口工程的巨大經濟損失，所以對施工條件下防波堤穩定性進行分析至關重要[2-3]。本文利用“港口地基工程計算軟件”對堤身開槽情況下的防波堤進行穩定性分析，科學核算了施工后的防波堤的穩定性，同時也總結了堤身開槽施工條件下防波堤穩定性呈現的一些特點和規律。

1 工程概述

電纜敷設工程穿越某處防波堤時，擬采用堤身開槽法穿越。

防波堤總體施工順序為：（1）臨時擋土墻；（2）吊離工字塊和塊石開挖；（3）胸墻開槽；（4）無縫鋼管敷設施工；（5）塊石、扭王字塊、胸墻恢復（后續按后澆帶恢復)；（6）水泥砂袋和混凝土壓塊施工；（7）拆除臨時擋土墻；（8）電纜溝和工作井施工；（9）電纜拖拉施工；（10）路面恢復。施工中的胸墻開槽、電纜溝和工作井施工等施工步驟可能對防波堤穩定性產生影響。[4-5]

防波堤穩定性分析應綜合考慮以下5 個方面：（1）護面塊體的穩定重量和護面層厚度；（2）堤前護底塊石的穩定重量；（3）胸墻的強度和抗滑、抗傾穩定性；（4）整體穩定性；（5）地基沉降等。本工程電纜敷設完成后按照原斷面對防波堤進行恢復，故上述計算內容中的第（1）、（2）、（3）項維持與原設計斷面不變，故可不進行復核計算。本工程爬坡段電纜敷設采用鋼管保護，鋼管上方設置水泥沙袋及混凝土蓋板，其重度比原有堤身塊石略大，對現有防波堤的穩定和沉降基本無影響，且防波堤已建成投入運營很長時間，故對地基沉降可不進行核算。

綜上所述，本次穩定核算的主要內容是針對開槽的施工期和使用期工況進行整體穩定復核，復核計算主要包括堤身斜坡面表層開槽工況、堤頂電纜溝開槽工況的堤身穩定復核、施工荷載對防波堤穩定的影響復核及使用期堤身穩定復核四種工況。[6-7]

2 分析方法

2.1 計算軟件

“港口工程地基計算系統”軟件適用于各類港口工程的分析計算，如各類碼頭、護岸、各類堤、壩、軟土地基加固等工程。

2.2 計算方法及計算條件

2.2.1 計算方法

根據相關規范[8]，對防波堤的地基穩定計算，可按平面問題考慮，采用復合滑動面法、簡單條分法或簡化畢肖普法驗算。其危險滑弧應滿足以下極限狀態設計表達式：

Msd——作用于危險滑動面上滑動力矩的設計值（KN.m/m）。

MRK——危險滑動面上抗滑力矩的標準值（KN.m/m）。

γR——抗力分項系數。

2.2.2 計算水位

本次復核計算為施工期穩定復核，根據相關規范，短暫組合計算水位應分別采用設計高水位和設計低水位。同時考慮在整體穩定計算中，低水位為不利工況，故計算水位為設計低水位（0.53m）。

2.3 計算荷載

1.工況一：堤身斜坡面表層開槽施工期堤身穩定復核。堤身斜坡面表層開槽采用水上開槽的施工方案，施工機械荷載對堤身穩定無影響，但考慮到施工期間堤頂可能會有車輛通行需要，故整體穩定計算暫按堤頂均布10kPa 荷載考慮。

2.工況二：堤頂電纜溝開槽施工期穩定的影響復核。根據總體施工安排，防波堤和胸墻恢復施工完成后進行電纜溝開槽施工，電纜溝開槽采用陸上施工，溝槽寬度約5.0m，施工機械可能會在溝槽內進行開槽施工，故整體穩定計算暫按堤頂均布20kPa 荷載考慮。

3.工況三：施工荷載對防波堤穩定的影響復核。此工況主要是復核開槽過程中施工機械對現有防波堤的穩定影響，整體穩定計算暫按堤頂均布20kPa 荷載考慮。

4.工況四：使用期工況。此工況考慮電纜敷設完成后，防波堤的穩定復核計算，主要考慮到堤頂車輛通行需要，故整體穩定計算暫按堤頂均布10kPa 荷載考慮。

2.4 工程地質

本次穩定復核計算所選用的地質資料參照CZ2 號鉆孔，其土層分布詳見表1。

表1 CZ2 號鉆孔土層分布表

2.5 計算模型

（1）工況一：堤身斜坡面表層開槽施工期堤身穩定復核。（2）工況二：堤頂電纜溝開槽施工期穩定的影響復核。（3）工況三：施工荷載對防波堤穩定的影響復核。

2.6 重要力學指標取值

核算使用的主要材料及土層力學指標如表2 所示。

表2 主要材料及土層物理力學指標表

防波堤斜坡面電纜敷設結構及堤頂電纜溝結構范圍內材料重度采用加權平均求得。其中主要材料天然重度取值如表3 所示，經加權平均計算防波堤斜坡面電纜敷設結構及堤頂電纜溝結構在穩定計算中重度取值如表4 所示。

表3 主要材料天然重度取值表

表4 重要對象重度取值表

3 復核計算與分析

3.1 復核計算原則

此次復核計算采用簡單條分法計算，地基土層選用直剪固結快剪指標，根據相關規范[9]，查該規范可知，抗力分項系數最小值=1.1～1.3，施工期的穩定計算等短暫狀況計算，抗力分項系數最小值取低值。

3.2 復核計算結果

經計算，整體穩定計算結果如表5 所示。

表5 整體穩定計算結果匯總表

3.3 計算分析

防波堤的地基穩定計算是基于公式（1），抗力分項系數γR在公式分數的分母上，故認為抗力分項系數γR越大（越偏離最小抗力分項系數），防波堤越穩定。綜合分析四種工況下防波堤穩定性復核計算結果，得出以下分析結論：

1.在四種工況中，防波堤臨海側（外側）的抗力系數總是高于防波堤內側（內側），外側抗抵抗施工影響的能力更強。即使是在堤身斜坡面表層開槽（工況一）情況下，即外側直接承受施工載荷，外側抗力分項系數也高于內側。

2.堤身斜坡面表層開槽（工況一）情況下，防波堤內外側的分項抗力系數最低，因此該項施工對防波堤穩定性影響最大；堤頂電纜溝開槽（工況二）情況下，防波堤內外側的分項抗力系數最小，因此該項施工對防波堤穩定性影響最小，甚至低于使用期的工況（工況四）。[10-11]

4 結論

1.綜合考慮工程概況，從計算方法、計算載荷、工程地質、計算模型及重要力學參數取值等方面，結合“港口地基工程計算系統”，經復核計算，堤身開槽施工不會影響防波堤穩定性。

2.在四種施工工況中，防波堤臨海側的穩定性總是高于防波堤內側。

3.在四種施工工況中，堤身斜坡面表層開槽（工況一）對防波堤穩定性影響最大；堤頂電纜溝開槽（工況二）對防波堤穩定性影響最小。