斜坡堤护坦优化研究

杨 钊，王 洪，唐 炫，陈培帅

(1. 中交二航局技术中心， 湖北 武汉 430040； 2. 中交二航局第一分公司， 湖北 武汉 430012)

当防波堤采用抛石挤淤进行施工时，其断面形态一般采用斜坡堤。斜坡堤坡脚设置一定厚度与宽度的护坦用于反压坡脚。护坦宽度与厚度的增加，即反压的增大，增加了滑动面的抗滑抵抗力矩，从而增大了防波堤堤心石的稳定。

实际施工中若直接采用抛石挤淤形成防波堤断面，其断面形态为淤泥面上正梯形和淤泥面下倒梯形的形态[1]。设计斜坡堤的断面形态为正梯形，其护坦部位一般采用挖泥换填。直接抛填形成的防波堤如仍抛填护坦至设计的标高与厚度，将造成护坦的厚度不够而影响防波堤的整体稳定性，因而需加大护坦宽度与厚度。然而，护坦设置的宽度和厚度与护坦的回填工程量有直接的联系，在可以保证防波堤安全稳定的前提下，应减小护坦的宽度和厚度，从而降低填土方量、缩短施工时间，确保获得良好的施工经济效益[2,3]。

1 防波堤断面形态研究

对于淤泥面，当抛石瞬间挤入淤泥时，淤泥会受到剪切破坏，随着抛石体下方的淤泥被挤出，抛石体两侧的淤泥就会壅起，而且两侧壅起部分的截面积之和应等于挤入淤泥中抛石体的截面积[4]。在抛石体坡脚处，壅起的淤泥会在自身重力作用下逐渐回壅，达到平衡。最终形成如图1所示的断面形态。

图1 防波堤断面形状

采用Midas-GTS有限元软件，分别以均布荷载模拟抛石和直接采用抛石体两种方法对抛石挤淤法的成堤断面进行分析。

分析时建立初始步与1个分析步，在初始步时地层为原始状态，淤泥层没有受到扰动，在分析步时将拟堆填的抛石置于淤泥层表面，同时施加重力荷载，淤泥在抛石的重力作用下产生变形，抛石体本身也随之变形，最终达到平衡，此时淤泥层压缩变形而形成的断面形状即可理解为堤心石断面的形状，两种数值模拟方法的结果可相互对比验证。

结合背景工程的实际情况和土体及抛石体的物理力学参数，现设有1层50 m厚的淤泥，总宽355 m，纵向无限延伸，首先建立均布荷载模拟抛石体的二维有限元模型，淤泥表面的均布荷载大小分别为120 kPa、140 kPa、160 kPa、180 kPa。然后建立直接采用抛石体的二维有限元模型，在淤泥上抛填宽为55 m的石堤，抛填石块的厚度分别设置为8 m，10 m，12 m。

1.1 以均布荷载模拟抛填堤心石

计算模型如图2所示，不同均布荷载压力作用下，淤泥质软土地基有限元数值模拟计算结果如图3～6所示。

图2 计算模型

图3 120 kPa抛石挤淤断面形态

图4 140 kPa抛石挤淤断面形态

图5 160 kPa抛石挤淤断面形态

图6 180 kPa抛石挤淤断面形态

1.2 直接采用抛石体建模

有限元计算模型中抛填堤心石底宽为55 m，三个计算模型的填土高度分别为为8 m、10 m、12 m，模型示意图如图7所示。

图7 计算模型示意

图8～10是抛石体直接置于淤泥土层之上，有限元数值模拟抛石挤淤成堤断面形态的计算结果。

图8 抛石厚度8 m断面形态

图9 抛石厚度10 m断面形态

图10 抛石厚度12 m断面形态

1.3 数值计算结果分析

抛石挤入淤泥内的深度随淤泥面上部均布荷载、抛填石块高度的增加而增加。

对比两种方法得出的断面形态，直接采用抛石进行分析的时候抛石底面形成的形状更为扁平，更为平缓，淤泥壅起的角度更趋平缓。这是因为采用压力分析时所取的压力是呈矩形分布的，而采用抛石模拟时，抛石断面呈梯形状，因此与抛石接触的淤泥所受的压力也是呈梯形分布的，从而形成了两侧更为平缓的挤出效果。

由以上两种有限元数值模拟计算方法得出的抛石挤淤断面形态示意图可以看出，淤泥在受到抛石重力作用下产生变形，抛石的底面会形成一扁平锅底状的形状，抛石顶面也随之下降。成堤断面的形态为淤泥面以上的正梯形和淤泥面以下的近似倒梯形的组合。这与抛石挤淤施工形成的海阳港防波堤钻孔得出的结论相符。

2 工程概况

海阳港防波堤工程位于山东省烟台市境内，其中防波堤工程东侧北起疏港路，是烟台港海阳港区的起步建设工程。防波堤设计全长8719 m，走向0～180°，顶面高程为5.1 m，填方边坡坡率为1∶1.5，行车道宽7.5 m。堤身外侧护坡采用抛石斜坡堤，护面采用大块石或扭王字块体。

原设计方案为将防波堤坡脚淤泥质土体全部挖除[5]，抛填护坦，然而这种方法的土方开挖回填量巨大，且现场无抛泥区，因而拟定采用加宽加厚护坦的方案来替代挖泥换填方案。

3 护坦宽度厚度优化

3.1 模型建立

选取K3+700断面作为典型分析断面，综合分析扫海数据以及泥石交界面数据，得到防波堤的断面形状图如图11所示。

图11 防波堤扫海断面

根据防波堤断面形态研究结论，假定倒梯形坡度比为1∶2。

3.2 计算结果分析

采用强度折减有限元法，分别计算护坦宽度为15 m，20 m，30 m，50 m，厚度为1.5 m，2 m，2.5 m，3 m时，防波堤整体稳定安全系数。计算结果见表1。

针对不同淤泥厚度的防波堤，分别使用不同的护坦厚度、宽度参数进行防波堤的边坡稳定分析时，没有考虑到沿海地区的风、浪、潮的作用影响，以及水流的冲刷作用。而海洋中波浪和潮流的冲刷作用，将会降低边坡的稳定性。由于防波堤修筑完成之后将会作为永久结构物，为了考虑海流的作用，在边坡分析的时候适当的提高边坡的稳定安全系数，此处将安全储备的系数选定为1.2，即目标的护坦参数将满足边坡安全系数大于1.3×1.2=1.56。K3+700防波堤护坦参数建议选为20 m宽，3 m厚。

表1 安全系数计算结果

4 结 论

(1)采用强度折减法和实际钻孔模探均表明抛石挤淤成堤的断面形态是淤泥面上正梯形和淤泥面下倒梯形。

(2)直接抛石成堤的防波堤，如仍按设计护坦标高去抛填护坦，将造成反压不足，而引起防波堤的整体滑动破坏。

(3)采用增大护坦宽度和厚度的方案，能有效地利用淤泥自身重力的压载，在石料充足的地域为首选方案。

[1] 余海忠，刘国楠，徐玉胜，等. 抛石挤淤成堤断面形态研究[J]. 中国铁道科学, 2011, 32(3): 1-7.

[2] 龚晓南. 地基处理手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

[3] 中交第一航务工程局.港口工程施工手册[M]. 北京:人民交通出版社, 1994.

[4] JTS 147-1-2010,港口工程地基规范[S].

[5] JTJ 298-98,防波堤设计与施工规范[S].