深厚软土地基上新建煤场与海堤的最小安全距离分析

陈 亮

(华东电力设计院，上海 200331)

深厚软土地基上新建煤场与海堤的最小安全距离分析

陈 亮

(华东电力设计院，上海 200331)

软土在我国广泛分布，其工程性质极差。本文结合实际工程，运用传统极限平衡法和FLAC3D数值计算方法，综合分析了深厚软土地基上新建煤场大面积堆载对邻近海堤地基稳定性的影响，提出了煤场与海堤之间最小的安全距离。

软土地基；最小安全距离；极限平衡法；FLAC3D。

1 概述

软土在我国沿海一带分布较广，如渤海湾、天津、长江三角洲以及浙江、福建等地的沿海地区都存在海相沉积的深厚软土层，普遍具有高含水量、高孔隙比、高压缩性、高灵敏度和低强度等特性，工程性质极差。

近年来我国沿海软土地区建设了数量众多的燃煤火力发电厂，为便于运输，其新建煤场布置往往紧靠厂区外侧的海堤。由于软土地基的性质较差，当煤场与海堤的间距过小时，煤场的大面积堆载作用可能会对海堤的地基稳定性造成明显的不利影响，而两者间距过大时，则又会造成电厂建设用地的浪费。针对这种现状，对软土地基进行专门的稳定性分析，提出新建煤场与海堤之间最小的安全距离是十分必要的。

本文以我国沿海某大型火力发电厂为例，通过对深厚软土地基上新建煤场的大面积堆载对海堤地基稳定性影响的分析，论述相应的计算方法，供类似工程参考。

2 工程概况

本工程采用斜坡式土石混合堤结构，南北向布置，轴线长887m，按1级堤防工程设计，堤顶高程为6.5 m，堤顶宽度为8.0 m，海堤外坡采用1∶2.5复式断面，内坡采用1∶5，外海侧采用细石混凝土灌砌块石护面，结构断面后背采用土体闭气并用无纺反滤布进行反滤。该海堤已建成，建设时采用了分级堆载+插设塑料排水板加快排水固结的地基处理方法，现处于正常运行期。

电厂新建煤场长约580 m，宽约220 m，南北向布置。设计最大堆煤高度12 m，为保证煤场地基的稳定性，拟采用分级堆载，煤堆休止角按46°考虑。海堤及新建煤场的剖面示意图见图1。

图1 海堤、煤场剖面示意图

3 场地工程地质条件

工程场地所处地貌类型为低山丘陵和海湾滩涂，场地内第四系海相沉积软土层厚度变化较大，靠近山脚处约0 m～15.0 m，向大海方向逐渐变厚，海堤处软土厚度普遍大于40 m。

场地内主要地层的分布情况描述如下：

①填土：主要为电厂建设时回填的开山土石，松散～稍密，厚度约3.0 m～6.0 m。

②淤泥：流塑，夹少量腐植质和贝壳碎屑，层厚约10.6 m～28.5 m。

④淤泥质粘土：软塑，含少量腐植质及贝壳碎片，具片状层理，层厚约4.4 m～23.0 m。

⑤2碎石土：中密，碎石粒径4 cm～10 cm，少量大于10 cm，碎石成分为凝灰熔岩，含量50%～60%，碎石间充满泥质和砂砾，未胶结，层顶埋深约43.5 cm～53.0 m，层厚约3.8 m～17.0 m。

⑥2中等风化凝灰熔岩：坚硬，节理发育，岩芯呈短柱和碎块状。

根据本工程场地的地震安全性评价报告，在50年超越概率10%情况下，场地地表水平峰值加速度为0.057 g，对应的地震基本烈度为6°。

4 影响海堤地基稳定性因素分析

地基土体结构类型是稳定性分析的基础。从本工程的地质条件来看，场地内分布有深厚的软土层，其渗透性小，抗剪强度较低，工程性质不良，在外部荷载及特定条件下，当土体内部某个面上的剪应力达到或超过了它的抗剪强度时，原有的稳定平衡遭到破坏，土体发生剪切变形，极有可能会引起软土地基的大规模整体滑移。根据以往经验，软土地基破坏模式以圆弧滑动为主。

显然，影响本工程海堤地基稳定性的内在因素是深厚软土及其不良工程性质，而外在因素则是煤场的大面积堆载、潮水、地形及地震作用等。

5 海堤稳定性计算与分析

5.1 计算工况

由于本工程海堤已处于正常运行期，故不需进行海堤施工期的整体抗滑稳定计算。按《海堤工程设计规范》(SL435-2008)10.2.2条规定，仅需进行正常运用情况及非常运用情况Ⅱ下的稳定计算。另外，煤场的堆载能起到反压海堤背海坡侧坡脚的效果，对海堤内侧的稳定性是有利的，故计算时只需考虑海堤临海坡侧的稳定性即可，即可能滑动面的剪出口位于海堤外侧。

具体的计算工况及其水位组合见表1。

表1 计算工况及水位组合

5.2 安全系数

本海堤工程的级别为1级，按《海堤工程设计规范》(SL435-2008)10.2.3条规定，采用瑞典圆弧滑动法进行海堤整体抗滑稳定计算时，正常运用条件下安全系数不应小于1.30，非常运用条件Ⅱ下安全系数不应小于1.10。

5.3 计算参数

做抗滑稳定性分析时，土的抗剪强度指标可采用三轴抗剪强度、直剪指标等，具体应根据海堤的工作状态和采用的计算方法选用不同的强度指标。本文中各土层的物理力学计算参数是综合地勘报告的实测结果和当地相关工程经验确定的，并考虑到海堤下土体经长期排水固结，物理力学性质有所改善，适当提高了海堤下土体的计算参数，但总体上计算参数仍偏于保守。具体取值见表2。

表2 计算参数

5.4 极限平衡法计算

⑴计算方法和原理

极限平衡法是边坡稳定计算中最广泛采用的方法，它只需提供少量力学参数就能计算出边坡设计需要的稳定性指标。本文针对地基的可能滑动形式，采用瑞典圆弧滑动法[2]进行计算，其计算简图见图2。

图2 圆弧滑动法计算简图

抗滑稳定安全系数K按式1计算。

式中： K为抗滑稳定安全系数；W1i、W2i、W＇

2i、W＇3i为第i个土条浸润线以上的土体的天然重量、浸润线与外坡水位线之间的土体的饱和重量、浸润线与外坡水位线之间的土体的浮重量、外坡水位线以下的土体浮重量，kN；αi为第i个土条底面中点的径向与竖直方向的夹角，(°)；φi、Ci为第i个土条底部土体的总抗剪强度指标，(°、kPa)。

⑵计算结果及分析

综合分析场地的地层分布和海堤外侧的地形情况，本文选取3个最不利的海堤断面，按新建煤场与海堤的不同间距条件，对海堤临海坡的稳定性进行反复试算。

计算结果表明，当煤堆坡脚距海堤内侧堤脚9 m时，在水位降落工况下，3个剖面计算得到的最小安全系数均超过1.50，满足不小于1.30的要求；而在地震工况下，3个剖面的计算得到的最小安全系数值均略大于1.10，较接近1.10，这说明此时煤场堆载对海堤稳定性的影响达到规范要求的安全临界状态。3个剖面的计算结果见表3，典型1—1′剖面的计算滑面图见图3。

表3 稳定性计算结果

图3 1—1′剖面大圆弧滑动计算滑面图(水位降落工况、地震工况)

从滑面图可以看到，当煤堆坡脚距海堤内侧堤脚9 m时，在水位降落工况下，滑动面剪出口位置在-115 m～-160 m(以海堤临海坡坡脚作为原点，靠海侧取负值，下同)，滑动面剪入口位置在130 m～150 m，即距煤堆坡脚30 m～50 m处；在地震工况下，滑动面剪出口位置在-130 m～-180 m，滑动面剪入口位置在130 m～150 m，即距煤堆坡脚30 m～50 m处。两种工况下的滑动面弧底埋深约-40 m～-50 m，位于基岩面以上的软土中。

5.5 FLAC3D数值分析

⑴ 算方法和原理

考虑到本文探讨的是岩土大变形问题，而FLAC3D程序在计算过程中允许材料发生屈服及流变，可以摸拟岩土的力学性能，尤其在弹塑性分析、大变形分析方面有其独到的优点，因此本文采用FLAC3D进行数值模拟，对海堤的变形和稳定性做进一步分析。

由于上述1—1′剖面涉及海堤外侧水下地形最为复杂，相对2—2′、3—3′剖面而言，发生整体滑动的可能性更大，故本次FLAC3D分析只针对1—1′剖面进行，重点关注当煤堆坡脚距海堤内侧堤脚9 m时，煤场堆载是否会造成超大规模的圆弧滑动。

⑵计算模型

FLAC3D建模时，若模型严格与原始地形匹配，则单元剖分会过于精细，计算耗时太久，而对整体圆弧的稳定性计算结果则影响甚微，故本文建模时，适当忽略一些细节的地形变化。具体的计算模型见图4，计算模型中土层分组图见图5。

图4 FLAC3D模型图

图5 FLAC3D土层分组图

对图4、图5表示的计算模型说明如下：

①模型参数：x方向，海堤外侧距离取150 m，海堤宽度取90 m，海堤内侧预留9 m(即煤堆坡脚到海堤内侧坡脚距离9m)，煤堆宽度取72 m；z方向，模型底部定义为0 m(坐标原点在模型左下角)，模型最左侧高48 m，模型局部最低处高46 m，海堤底面标高60 m，海堤顶面标高66.5 m，煤堆底面标高63 m(煤堆堆高12 m，自设计场坪标高3 m起算)，煤堆顶面标高75 m；y方向，取3 m，以保证FLAC3D差分计算的精度。

②网格剖分：x方向3m，z方向2 m，y方向3 m，整个模型共划分为3131个区域单元，6520个节点。

③边界条件：模型左右侧x方向约束，模型底部z=0处x、y、z三个方向约束，垂直纸面y方向约束。

④煤场堆载的模拟：煤场堆载是按分级加载进行的，FLAC3D针对该种情形有两种处理方式：分层堆载，一层层建实体单元(煤堆)的模型，或者用等量的荷载替代实体单元(煤堆)分批次作用于地基上，本文选用后一种方式模拟煤场的堆载。

⑤土体模型：土体本构模型取摩尔-库仑弹塑性模型，其物理力学性质指标选取同极限平衡法。

⑶计算结果及分析

FLAC3D中判定潜在滑动面存在的依据，有三类图：位移矢量图或位移云图、剪切应变率云图、块状态图。本文将煤场堆载前后的模型位移云图和剪切应变率云图对比，以分析煤场堆载对海堤的影响。

煤场堆载前的模型位移云图和剪切应变率云图见图6和图7。从图6可以看出，煤场堆煤前模型位移最大值出现在海堤处，其主要原因是地基在海堤自重作用下产生了变形。从图7可以看出，在屏蔽海底陡降坡处剪切变形较大的区域后，整个模型显示出潜在的从海堤背水坡到海底陡降处的圆弧滑动面，但其剪切应变率在1E-9数量级，非常微小，说明煤场堆载前海堤是相当稳定的。

图6 未堆煤前模型位移云图

图7 未堆煤前模型剪切应变率云图

煤场堆载后，由堆煤荷载造成的新增位移云图见图8。可以看出，虽然位移云图显示出模型存在超大圆弧滑动面的可能，但新增的位移值量级在厘米级，说明当煤堆坡脚距海堤内侧堤脚9 m时，海堤整体上仍是稳定的。

图8 堆煤后模型位移云图

5.6 综合分析

分析极限平衡法和FLAC3D数值模拟的结果，可以看出，虽然这两种计算方法反映的滑动面位置略有差异，但极限平衡法与FLAC3D中的潜在破坏面形式非常相似，FLAC3D数值分析结果对由极限平衡法得到的稳定性计算结果也做了较好的验证，因此综合判定本工程新建煤场与海堤之间最小的安全距离取为9 m是合理的。

6 结语

在充分利用建设用地的基础上，确保海堤的稳定性对于沿海软土地区的电力工程而言，是一个极其重要的课题。本文结合实际工程，运用传统极限平衡法和FLAC3D数值计算方法，分析了深厚软土地基上新建煤场大面积堆载对邻近海堤地基稳定性的影响，提出了煤场与海堤之间最小的安全距离，对本工程建设起到了较好的指导作用，其计算方法对类似工程也有一定的借鉴意义。由于岩土工程普遍存在一定程度的不确定性，在类似工程的稳定性评价中，应尽量综合运用多种计算方法进行定性和定量分析，以提高结论的可靠性。

[1]SL435-2008，海堤工程设计规范[S]．

[2]黄求顺，张四平，胡岱文．边坡工程[M]．重庆：重庆大学出版社，2003．

[3]卢延浩．岩土数值分析[M]．北京：中国水利水电出版社，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

陈亮(1979- )，男，江苏启东人，硕士，工程师，注册土木工程师(岩土)。