大连新港围填工程堆石坝基地承载力计算与优化设计

韩东海

(辽宁省本溪市桓仁县水务局，辽宁 桓仁 117200)

20世纪80年代中期，我国自主发明了利用爆炸法处理沿海滩涂堤坝软土地基技术[1]。经过多年发展，目前该技术已经得到广泛应用。由于爆炸挤淤形成的堆石坝与普通软土地基上的堆石坝在地基承载力方面明显不同，参照普通软土地基堆石坝进行地基承载力计算显然不够准确[2]。如果采用保守设计既容易造成不必要的资源浪费，也难以保证坝体的稳定与安全。因此，如何准确、合理地进行地基承载力计算，就成为这种堆石坝地基基础设计的关键。

1 工程背景

1.1 工程概况

大连新港位于丹东和渤海口之间，拟新建的30万吨级原油码头位于大孤山半岛，属于大窑湾与大连湾之间的过渡性区域，在2006年沙陀子围垦后，该处流态更为复杂[3]。因此，需要进行必要的流场整治。流场整治工程方案主要由两部分组成：一是北侧的导流堤，其主要功能是归顺原油码头前沿附近的水流流向，同时为鲶鱼湾港区的码头提供一定的防浪掩护作用；二是南侧的围填工程，其方案为沿着-3m的等高线布置。

围填工程设计堤线总长1380m，拟采用控制爆炸法进行软基处理[4]。本工程所处的位置是浅海滩涂地区，堤坝地基原滩涂的高程为-3m，淤泥质软土的最大厚度为35m，同时自上而下呈层状分布，主要持力层的物理力学参数见表1。从原始设计资料看，堆石坝的设计深度为-25.4m，没有坐落于硬岩上，而是悬浮于-25.4m以上的淤泥土层中。由此可见，该工程是控制爆炸法处理软土地基工程中难度最大、淤泥厚度最厚的工程，施工难度可想而知。

1.2 堆石坝断面与埋深的当前设计

围填工程堆石坝的地基承载力计算利用传统的压载挤淤研究成果进行计算[5]，计算公式如下：

表1 主要持力层物理力学参数

(1)

式中，H—填筑体厚度，m；D—淤泥中下沉度，m；t—淤泥深度，m；B—填筑体宽度，m；Cu—淤泥十字板剪切强度；γ—淤泥容重，t/m3；γs—填筑体容重，t/m3；

工程原设计中采用上述公式计算得到堆石坝的埋深，结合地质资料和工程经验进行相关参数设计，工程共分为6个不同的断面，其桩号和埋深设计见表2。

表2 堆石坝初始设计参数表

在试施工过程中，业主委托专业单位进行了埋深钻孔监测，结果显示当前设计并不能很好描述施工中的实际深度，在达到设计埋深时，堆石坝仍不稳定，需要继续进行爆炸挤淤施工方可使堆石坝达到稳定状态，因此设计深度普遍较小，地基承载力明显不足。由此可见传统软土地基承载力计算公式并不完全适合。

2 爆炸挤於堆石坝地基极限承载力计算

2.1 计算原理

根据相关文献[6]，控制爆炸挤淤形成的堆石坝可以置换水平面下30m深的淤泥，但对于沿海滩涂淤泥层普遍较厚的工程现状，此深度并不能保证堆石坝坐落在硬岩上。这种堆石坝筑坝机理的分析显示，地基承载力主要由两部分组成：一是堆石坝的埋深和基底宽度较大，深层淤泥的抗剪强度可以忽略不计，对堆石坝的承载能力就构成了地基承载力的主要部分；二是挤淤过程中的抛石体可以改善坝体两侧淤泥土的承载力条件，其承载力也成为地基承载力的重要组成。因此，从极限平衡理论出发，增加计算堆石坝两侧抛石体对承载力的影响，可以推导出适合控制爆炸挤淤堆石坝的地基承载力计算公式。

2.2 计算方法

堆石坝的横断面形状太过复杂，十分不便于计算[7]。因此，在研究过程中可以将其简化为如图1所示的左右对称八边形[8]。从简化后的形状看，地基承载力可以分为两部分：一是基础底面AB部分；二是基础侧面BHG部分。其中，基础底面AB部分的承载力可由土体塑性极限分析法获得。计算时需要分别考虑粘聚力和超载的影响以及容重的影响，并将两部分进行叠加，从而得出底面AB部分的地基极限承载力公式。侧面部分则可以分为GH部分的土压力和BH部分的支撑力，将其与底面AB的承载力叠加即可获得总的地基承载力，其计算公式如下：

Qf=qfB+Qs

(2)

其中：

(3)

Qs=2N1sina1+2T1cosa1-2N2sina2+2T2cosa2

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式(2)～(3)中，Qf—总的地基承载力，kN；qf—AB部分的地基极限承载力，kN；B—填筑体宽度，m；Qs—侧面地基承载力，kN；Nq、Nγ、Nc—与η、α、β相关的无因次承载力系数；σ0—BE平面上的等待应力，kN；φ—土的内摩擦角；P—被动土压力，kN；T1—BH面的剪力，kN；T2—GH面上的剪力，kN；N1—BH面的正压力，kN；N2—GH面上的压力，kN；fs、f1、Ws—堆石体的重力，kN；D—淤泥中下沉度，m；t—淤泥深度，m；Cu—淤泥十字板剪切强度；γ—淤泥容重，t/m3；γs—填筑体容重，t/m3。

图1 简化后的堆石坝断面与受力分析简图

3 地基承载力计算与优化设计

3.1 地基承载力的对比分析

利用上节方法对大连新港围填工程堆石坝地基极限荷载进行计算，获得表3所示的结果。由计算结果可知，第2、3、4断面的地基承载力均小于堆石坝的设计自重，其余三个断面虽然比自重稍大，但是幅度较小，所以当前设计不能满足工程实际需求。

表3 各断面计算结果

3.2 对当前设计方法的优化

基于以上计算结果，现将堆石坝各断面的埋深进行优化调整，同时考虑到截面的相似性，将基底宽度及侧边长度也按照比例进行调整，埋深的调整结果见表4。

表4 堆石坝埋深调整方案 单位：m

根据表4的调整方案，对地基承载力和自重荷载进行重新计算，计算结果见表5。计算结果显示，在进行设计优化以后，地基承载力与自重荷载的差值提高明显，确保了施工过程中堆石坝的稳定和安全。

表5 各断面计算结果

3.3 优化结果评价

为了进一步确定优化设计更符合实际工程，选用设计偏差百分比对原设计和优化设计进行比较。分别求得6个设计断面的计算误差与两种设计埋深的百分比平均值，结果见表6。由表格6的结果可以看出，6个界面优化设计后的误差均小于原设计误差，说明优化设计更适用于工程实际。

表6 各断面设计偏差计算结果

4 结语

本文的研究对象为控制爆炸挤淤堆石坝，采用理论分析的方法推导出适合悬浮在淤泥土层中的堆石坝的地基承载力计算公式。通过大连新港围填工程的优化设计，验证了计算方法的正确性，说明本文的计算公式适用于类似工程的地基基础设计，具有重要的理论和实践价值。另外，由于实际工程数据不足等因素的限制，本次研究还不能计算筑坝过程中的地基承载力变动，还需要在日后的研究中进一步完善。

[1] 江礼凡, 屈兴元, 王江, 等. 爆炸挤淤置换法在浙江围垦工程中的应用和发展[J]. 浙江水利科技, 2012(03): 28- 32.

[2] 陈盼, 李永和, 王吉利, 等. 爆炸挤淤作用对海相软黏土压缩特性的影响[J]. 岩土力学, 2012(S1): 49- 55.

[3] 徐华, 夏云峰, 吴道文, 等. 大连新港潮流场整治模型试验研究[J]. 中国港湾建设, 2011(01): 41- 45.

[4] 王兆兰, 王利, 赵彪. 近年来大连市围填海区域动态演化研究[J]. 海洋开发与管理, 2015(08): 43- 47.

[5] 江礼茂, 许羿. 控制加载爆炸挤淤置换法处理软基技术及其工程实践[J]. 土工基础, 2011(05): 27- 30+75.

[6] Ozcoban, S., Berilgen, M. M, Kilic, H. etal., Construction and behavior of a dam founded on soft clay, J. of Geotech. and Geoenv. Engng., ASCE, 2007, 133(08): 1003- 1016.

[7] 骆光杰. 控制加载爆炸挤淤的施工方法在深厚淤泥层防波堤施工中分析[J]. 中国水运(下半月), 2015(09): 297- 298.

[8] 颜远甲. 海堤施工中的爆破挤淤及超高堆填工法[J]. 水利技术监督, 2014(04): 58- 60.