围堰安全稳定性分析及加固方案研究

摘要：基于广州港南沙港区某码头工程的围堰深层水平位移监测实例，对软基围堰的改进加固处理措施进行深入研究，采用Plaxis2D有限元软件计算围堰在疏浚吹填以及地基处理过程中的安全稳定性系数并进行判定，验证反压坡道加固方案确实能有效提高围堰的安全稳定性；通过调整加固方案反坡护道高宽值计算围堰安全稳定性系数，得出一个兼顾经济性和稳定性的加固方案，建议反压坡道的高度和宽度均采用5"m。

关键词：深层水平位移"Plaxis2D"安全稳定性"加固方案

Analysis"of"Safety"and"Stability"of"Cofferdam"and"Research"on"Its"Reinforcement"Plan

LIU"Yahui1"LI"Rui2

1.Guangzhou"Port"Engineering"Management"Co.，"Ltd.，"Guangzhou，"Guangdong"Province，"510700"China;2.China"Design"Group"Co.，"Ltd.，"Nanjing，"Jiangsu"Province，"210014"China

Abstract："Based"on"the"monitoring"example"of"deep"horizontal"displacement"of"cofferdam"of"a"wharf"project"in"Nansha"Port"of"Guangzhou"Port，"this"article"conducts"in-depth"research"on"the"improvement"and"reinforcement"measures"for"soft"foundation"cofferdams."Using"Plaxis2D"finite"element"software"to"calculate"the"safety"and"stability"factors"of"the"cofferdam"during"dredging，"hydraulic"filling，"and"foundation"treatment"processes"for"judgment，"Verify"that"the"reinforcement"scheme"of"reverse"pressure"ramp"can"effectively"improve"the"safety"and"stability"of"the"cofferdam;"Calculate"the"safety"and"stability"coefficient"of"the"cofferdam"by"adjusting"the"height"and"width"values"of"the"anti"slope"guardrail"in"the"reinforcement"plan，"a"reinforcement"plan"that"balances"economy"and"stability"is"obtained."It"is"recommended"to"use"a"height"and"width"of"5m"for"the"counter"pressure"ramp.

Key"Words："Deep"horizontal"displacement;"Plaxis2D;"Safety"and"stability;"Reinforcement"plan

港口码头的基础往往处于深厚淤泥区，吹填过程中软基围堰的安全稳定性问题是最基本的问题，与工程的进度、安全、质量等息息相关[1-3]。本文基于广州港南沙港区某码头工程疏浚吹填及地基处理工程的围堰深层水平位移监测实例，对软基围堰监测预警影响施工进度后的加固处理措施进行深入研究，采用Plaxis2D有限元软件对围堰在疏浚吹填以及地基处理过程中的稳定性进行判定，通过调整参数不断改进加固方案，总结出一个能兼顾稳定性和经济性的最优方案。

1工程概况

本项目位于广州市南沙区，围堰采用充填砂袋结构，坡度为1∶1.5，陆域形成方法采用港池疏浚土进行吹填，地基处理方法采用真空联合堆载预压法。由于原状软土指标差，围堰边坡在场地内施工的过程中经常处于安全稳定极限临界状态，任何额外附加荷载均容易造成边坡失稳，因此，吹填堆载过程和真空联合堆载预压中必须进行深层水平位移监测严格控制堆载速率和抽真空速率，同时也可以采取围堰边坡加固措施提高围堰稳定性，使堆载能够顺利进行。采用埋设测斜管的方法监测土体的水平位移，目的就是为了监测围堰下部土体不同深度处的水平位移，为围堰后方吹填堆载高度和堆载速率控制提供指导。

在吹填堆载和真空联合堆载预压施工过程中，围堰边坡在回填施工及水位影响下，产生了一定程度的滑移，期间水平位移速率多次超过预警值，严重影响施工进度，为保证围堰能顺利进行，必须对其进行加固处理。由于围堰边坡的滑动面主要分布在围堰下部至淤泥层，改变边坡的坡率对边坡稳定性影响效果不大，综合考虑现场实际情况和施工设备，决定采取反压护道的加固措施。

2"Plaxis2D软件渗流稳定分析的基本理论

2.1"渗流计算理论

Plaxis2D程序与一般有限元软件做法一致，在渗透分析过程中，认为土体中孔隙水流动符合Darcy定律[4-5]。Plaxis2D程序不同之处在于，在渗流分析中对材料渗透系数引入了一个折减系数Kr，则稳态、瞬态分析对应的Darcy定律控制微分方程变成如下形式[6]。

式（1）中：H为总水头；Q为边界流量；kx和ky为渗透系数；mw为比水容重；ρw为水的密度。

2.2"稳定安全系数的计算方法

在Plaxis2D有限元软件中采用强度折减法（安全性计算）进行稳定性分析，计算结构的安全系数。计算时当土体达到破坏的极限状态时，本身具有的强度参数值的大小与相应极限状态强度值的比值，即为安全系数。在程序中，其表达式为

式（2）中：c、φ为原状土的强度参数；c’、φ’为经过折减后土体的强度参数。

3现场深层水平位移监测情况

3.1"未采取加固措施

CX-01～CX-10测斜孔未采取围堰边坡加固措施，CX-03测斜孔绘制累计深层水平位移曲线如图1所示。

由监测数据可知，围堰在吹填堆载施工期间，整体水平位移累计值的最大值为35.2"mm，发生位置在8"m深度处，为围堰底部，说明此处存在滑动面或潜在滑动面，围堰稳定性较差；最大水平位移速率达到7.5"mm/d，发生时间在吹填堆载施工后期，此时最易发生滑移预警，围堰边坡处于不稳定状态，严重影响施工进度。

3.2"采取反压坡道加固措施

后续围堰采用反压护道的加固方案，对加固后的CX-15测斜孔累计深层水平位移监测数据进行分析。采用反压护道之后，围堰整体水平位移累计值的最大值为17.3"mm，位于10"m深度处，为淤泥层顶面；最大水平位移速率达到3.8"mm/d，发生时间为抽真空初期。与CX-03相比，深层水平位移最大值明显减小，水平位移速率已基本处于安全限值内，因此反压护道在围堰边坡加固方案中是可行的。

4渗流模型的建立

4.1"渗流计算模型

采用Plaxis2D有限元程序建立标准段横断面二维计算模型，模拟分析围堰在吹填施工和真空联合堆载预压等工况下的安全稳定性特征。有限元计算模型的尺寸与工程案例一致，Plaxis2D建模及单元网格划分如图2所示。模型的围堰与地基土统一采用摩尔库伦模型模拟。

4.2"计算参数

根据勘察报告，土层物理力学参数如表1所示。

4.3"计算结果及分析

根据工程实例的现场施工情况，数值模拟计算工况主要步骤如下：（1）进行初始地应力平衡；（2）施工围堰；（3）吹填施工；（4）真空预压；（5）堆载预压。

由图3可以看出，采用反坡护道的加固措施之后能有效提高围堰的安全稳定性；吹填堆载期随着吹填堆载的进行，围堰稳定性逐渐下降；真空联合堆载预压期结束后，进行真空预压时，围堰内侧的荷载达到最大，围堰安全稳定性系数降至最低，这与现场实际监测情况吻合，应密切关注吹填堆载后期至抽真空初期这段时间的围堰水平位移速率，及时预警，调整现场施工进度。

4.4"优化加固方案

为了充分研究不同反坡护道高宽值的情况下，对围堰安全稳定性的影响，以变化幅值1"m，逐步减少反坡护道高宽值，设置工况为真空联合堆载预压完成时，反坡护道高宽分别为6"m、5"m、4"m、3"m的计算工况，水位设置与实际相同。计算不同反坡护道高宽值下围堰安全稳定系数，如表2所示。

由表2可知，在合理的反压互道高度内，围堰边坡的安全系数随反压互道高度的增高而变大，反压宽度的增加对安全系数虽有一定影响但影响程度较低，可见反压宽度对加固效果影响不大。

仅从稳定性系数方面考虑，反压方案在高度、宽度均为6"m时，围堰安全稳定性系数达到最大。但是考虑到反压宽度和高度在5"m增加至6"m时，围堰安全稳定性系数仅提升0.1左右，提升效果较小，从经济性角度考虑，建议反压坡道的高度和宽度均采用5"m。

反压坡道的高度和宽度均采用5"m时，围堰安全稳定性系数为2.41，满足现场需求，这样既能保证围堰良好的安全稳定性，同时也满足经济性。

5结论

（1）吹填堆载施工后期和抽真空初期对土体扰动较大，围堰边坡处于不稳定状态，应密切观测这段时间内围堰的深层水平位移。

（2）围堰底部至淤泥层上部位置产生了相对较大的水平位移，说明土体內部存在滑动面或潜在滑动面，应密切观测此处位置的位移变化速率。

（3）围堰采用反坡护道的加固措施能有效提高围堰的安全稳定性。

（4）综合考虑经济性和稳定性系数，建议反压坡道的高度和宽度均采用5"m，这样既能保证围堰良好的安全稳定性，同时也具有较大的经济性。

参考文献

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• YUAN"F"L，CHEN"W.Stability"analysis"of"temporary"cofferdam"of"a"ship"lock"construction"project"in"coastal"area[J].IOP"Conference"Series：Earth"and"Environmental"Science，2021，768（1）：1-6."
• 赵伟龙.土石围堰渗流稳定性分析及变形安全风险预警研究[D].长沙：中南大学，2023.
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• 郭兴成，周徐峰，王锦文，等.基坑开挖对邻近桩筏基础数值分析[J].低温建筑技术，2024，46（3）：152-155.