堤身開(kāi)槽對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響分析

李 誠(chéng)

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)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(shè)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(kāi)槽、定向鉆等施工可能會(huì)影響防波堤穩(wěn)定性、縮短防波堤壽命，甚至?xí)?dǎo)致防波堤在施工期或施工后失穩(wěn)坍塌，造成港口工程的巨大經(jīng)濟(jì)損失，所以對(duì)施工條件下防波堤穩(wěn)定性進(jìn)行分析至關(guān)重要[2-3]。本文利用“港口地基工程計(jì)算軟件”對(duì)堤身開(kāi)槽情況下的防波堤進(jìn)行穩(wěn)定性分析，科學(xué)核算了施工后的防波堤的穩(wěn)定性，同時(shí)也總結(jié)了堤身開(kāi)槽施工條件下防波堤穩(wěn)定性呈現(xiàn)的一些特點(diǎn)和規(guī)律。

1 工程概述

電纜敷設(shè)工程穿越某處防波堤時(shí)，擬采用堤身開(kāi)槽法穿越。

防波堤總體施工順序?yàn)椋海?）臨時(shí)擋土墻；（2）吊離工字塊和塊石開(kāi)挖；（3）胸墻開(kāi)槽；（4）無(wú)縫鋼管敷設(shè)施工；（5）塊石、扭王字塊、胸墻恢復(fù)（后續(xù)按后澆帶恢復(fù))；（6）水泥砂袋和混凝土壓塊施工；（7）拆除臨時(shí)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(fù)。施工中的胸墻開(kāi)槽、電纜溝和工作井施工等施工步驟可能對(duì)防波堤穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。[4-5]

防波堤穩(wěn)定性分析應(yīng)綜合考慮以下5 個(gè)方面：（1）護(hù)面塊體的穩(wěn)定重量和護(hù)面層厚度；（2）堤前護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量；（3）胸墻的強(qiáng)度和抗滑、抗傾穩(wěn)定性；（4）整體穩(wěn)定性；（5）地基沉降等。本工程電纜敷設(shè)完成后按照原斷面對(duì)防波堤進(jìn)行恢復(fù)，故上述計(jì)算內(nèi)容中的第（1）、（2）、（3）項(xiàng)維持與原設(shè)計(jì)斷面不變，故可不進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。本工程爬坡段電纜敷設(shè)采用鋼管保護(hù)，鋼管上方設(shè)置水泥沙袋及混凝土蓋板，其重度比原有堤身塊石略大，對(duì)現(xiàn)有防波堤的穩(wěn)定和沉降基本無(wú)影響，且防波堤已建成投入運(yùn)營(yíng)很長(zhǎng)時(shí)間，故對(duì)地基沉降可不進(jìn)行核算。

綜上所述，本次穩(wěn)定核算的主要內(nèi)容是針對(duì)開(kāi)槽的施工期和使用期工況進(jìn)行整體穩(wěn)定復(fù)核，復(fù)核計(jì)算主要包括堤身斜坡面表層開(kāi)槽工況、堤頂電纜溝開(kāi)槽工況的堤身穩(wěn)定復(fù)核、施工荷載對(duì)防波堤穩(wěn)定的影響復(fù)核及使用期堤身穩(wěn)定復(fù)核四種工況。[6-7]

2 分析方法

2.1 計(jì)算軟件

“港口工程地基計(jì)算系統(tǒng)”軟件適用于各類(lèi)港口工程的分析計(jì)算，如各類(lèi)碼頭、護(hù)岸、各類(lèi)堤、壩、軟土地基加固等工程。

2.2 計(jì)算方法及計(jì)算條件

2.2.1 計(jì)算方法

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[8]，對(duì)防波堤的地基穩(wěn)定計(jì)算，可按平面問(wèn)題考慮，采用復(fù)合滑動(dòng)面法、簡(jiǎn)單條分法或簡(jiǎn)化畢肖普法驗(yàn)算。其危險(xiǎn)滑弧應(yīng)滿足以下極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

Msd——作用于危險(xiǎn)滑動(dòng)面上滑動(dòng)力矩的設(shè)計(jì)值（KN.m/m）。

MRK——危險(xiǎn)滑動(dòng)面上抗滑力矩的標(biāo)準(zhǔn)值（KN.m/m）。

γR——抗力分項(xiàng)系數(shù)。

2.2.2 計(jì)算水位

本次復(fù)核計(jì)算為施工期穩(wěn)定復(fù)核，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，短暫組合計(jì)算水位應(yīng)分別采用設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位。同時(shí)考慮在整體穩(wěn)定計(jì)算中，低水位為不利工況，故計(jì)算水位為設(shè)計(jì)低水位（0.53m）。

2.3 計(jì)算荷載

1.工況一：堤身斜坡面表層開(kāi)槽施工期堤身穩(wěn)定復(fù)核。堤身斜坡面表層開(kāi)槽采用水上開(kāi)槽的施工方案，施工機(jī)械荷載對(duì)堤身穩(wěn)定無(wú)影響，但考慮到施工期間堤頂可能會(huì)有車(chē)輛通行需要，故整體穩(wěn)定計(jì)算暫按堤頂均布10kPa 荷載考慮。

2.工況二：堤頂電纜溝開(kāi)槽施工期穩(wěn)定的影響復(fù)核。根據(jù)總體施工安排，防波堤和胸墻恢復(fù)施工完成后進(jìn)行電纜溝開(kāi)槽施工，電纜溝開(kāi)槽采用陸上施工，溝槽寬度約5.0m，施工機(jī)械可能會(huì)在溝槽內(nèi)進(jìn)行開(kāi)槽施工，故整體穩(wěn)定計(jì)算暫按堤頂均布20kPa 荷載考慮。

3.工況三：施工荷載對(duì)防波堤穩(wěn)定的影響復(fù)核。此工況主要是復(fù)核開(kāi)槽過(guò)程中施工機(jī)械對(duì)現(xiàn)有防波堤的穩(wěn)定影響，整體穩(wěn)定計(jì)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(shè)完成后，防波堤的穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，主要考慮到堤頂車(chē)輛通行需要，故整體穩(wěn)定計(jì)算暫按堤頂均布10kPa 荷載考慮。

2.4 工程地質(zhì)

本次穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算所選用的地質(zhì)資料參照CZ2 號(hào)鉆孔，其土層分布詳見(jiàn)表1。

表1 CZ2 號(hào)鉆孔土層分布表

2.5 計(jì)算模型

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

2.6 重要力學(xué)指標(biāo)取值

核算使用的主要材料及土層力學(xué)指標(biāo)如表2 所示。

表2 主要材料及土層物理力學(xué)指標(biāo)表

防波堤斜坡面電纜敷設(shè)結(jié)構(gòu)及堤頂電纜溝結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)材料重度采用加權(quán)平均求得。其中主要材料天然重度取值如表3 所示，經(jīng)加權(quán)平均計(jì)算防波堤斜坡面電纜敷設(shè)結(jié)構(gòu)及堤頂電纜溝結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定計(jì)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(duì)象重度取值表

3 復(fù)核計(jì)算與分析

3.1 復(fù)核計(jì)算原則

此次復(fù)核計(jì)算采用簡(jiǎn)單條分法計(jì)算，地基土層選用直剪固結(jié)快剪指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[9]，查該規(guī)范可知，抗力分項(xiàng)系數(shù)最小值=1.1～1.3，施工期的穩(wěn)定計(jì)算等短暫狀況計(jì)算，抗力分項(xiàng)系數(shù)最小值取低值。

3.2 復(fù)核計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果匯總表

3.3 計(jì)算分析

防波堤的地基穩(wěn)定計(jì)算是基于公式（1），抗力分項(xiàng)系數(shù)γR在公式分?jǐn)?shù)的分母上，故認(rèn)為抗力分項(xiàng)系數(shù)γR越大（越偏離最小抗力分項(xiàng)系數(shù)），防波堤越穩(wěn)定。綜合分析四種工況下防波堤穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算結(jié)果，得出以下分析結(jié)論：

1.在四種工況中，防波堤臨海側(cè)（外側(cè)）的抗力系數(shù)總是高于防波堤內(nèi)側(cè)（內(nèi)側(cè)），外側(cè)抗抵抗施工影響的能力更強(qiáng)。即使是在堤身斜坡面表層開(kāi)槽（工況一）情況下，即外側(cè)直接承受施工載荷，外側(cè)抗力分項(xiàng)系數(shù)也高于內(nèi)側(cè)。

2.堤身斜坡面表層開(kāi)槽（工況一）情況下，防波堤內(nèi)外側(cè)的分項(xiàng)抗力系數(shù)最低，因此該項(xiàng)施工對(duì)防波堤穩(wěn)定性影響最大；堤頂電纜溝開(kāi)槽（工況二）情況下，防波堤內(nèi)外側(cè)的分項(xiàng)抗力系數(shù)最小，因此該項(xiàng)施工對(duì)防波堤穩(wěn)定性影響最小，甚至低于使用期的工況（工況四）。[10-11]

4 結(jié)論

1.綜合考慮工程概況，從計(jì)算方法、計(jì)算載荷、工程地質(zhì)、計(jì)算模型及重要力學(xué)參數(shù)取值等方面，結(jié)合“港口地基工程計(jì)算系統(tǒng)”，經(jīng)復(fù)核計(jì)算，堤身開(kāi)槽施工不會(huì)影響防波堤穩(wěn)定性。

2.在四種施工工況中，防波堤臨海側(cè)的穩(wěn)定性總是高于防波堤內(nèi)側(cè)。

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