褚宏憲，方中華，史慧杰，高小惠

(1.國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071; 2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

曹妃甸海底深槽斜坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

褚宏憲1，2，方中華1，2，史慧杰1，2，高小惠1，2

(1.國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071; 2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

海底斜坡穩(wěn)定性受風(fēng)暴潮、海底地震等諸多不確定因素影響，易發(fā)生失穩(wěn)破壞，產(chǎn)生較大的海洋地質(zhì)災(zāi)害。簡(jiǎn)要介紹海底斜坡穩(wěn)定性分析方法，建立曹妃甸深槽典型斜坡計(jì)算模型，確定了模型計(jì)算的海底地形參數(shù)、地層結(jié)構(gòu)參數(shù)、土體物理力學(xué)參數(shù)等指標(biāo)，利用GEO-SLOPE斜坡分析軟件進(jìn)行海底斜坡穩(wěn)定性定量計(jì)算，分析了工程建設(shè)前自然狀態(tài)下以及在大規(guī)模工程建設(shè)后海底斜坡穩(wěn)定性，并模擬分析了在大風(fēng)浪和地震等極端條件下斜坡的穩(wěn)定性，確定了海底斜坡失穩(wěn)空間特征。首次采用數(shù)值計(jì)算對(duì)曹妃甸海底斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià)，可以為類似近海建設(shè)工程提供重要的參考作用。

海底深槽；斜坡穩(wěn)定性；GEO-SLOPE軟件；安全系數(shù)； 曹妃甸

Abstract:The submarine slope in stability due to many uncertain factors,such as storm surge and undersea earthquake,may produce large marine geological disasters.This paper briefly introduces the submarine slope stability analysis method.To build up the computer mode of Caofeidian typical deep trough slope,the model calculation parameters are determined,such as submarine topography parameters,formation structure parameters,soil strength parameters and so on.Using GEO-SLOPE analysis software for submarine slope stability quantitative calculation,the submarine slope stability in natural state before and after large-scale engineering construction is analyzed,and simulation is made of the slope stability under extreme conditions,such as large waves and earthquakes,to determine the spatial characteristics of submarine slope instability.In this paper,by using numerical simulation technology for the first time,the quantitative calculation of Caofeidian submarine slope stability is made,and the results can also be used for the design of other similar coastal projects.

Keywords:submarine deep trough; slope stability; GEO-SLOPE; safety coefficient; Caofeidian

曹妃甸甸頭前沿深槽是曹妃甸港最大的優(yōu)勢(shì)，深槽是進(jìn)出曹妃甸港的天然深水航道，深槽穩(wěn)定性和未來演變趨勢(shì)直接關(guān)系到曹妃甸的未來[1]。海底深槽斜坡穩(wěn)定性受風(fēng)暴潮、海底地震等許多不確定因素影響，若發(fā)生失穩(wěn)破壞，將產(chǎn)生較大的海洋地質(zhì)災(zāi)害問題[2]。

根據(jù)收集的曹妃甸海區(qū)2004年至2008年海底地形資料初步分析，2004年的曹妃甸深槽最深水深為41.7 m，2008年的曹妃甸深槽最深水深為42.0 m，深槽最深處已經(jīng)加深0.3 m左右，曹妃甸甸頭南側(cè)深槽斜坡坡度較陡，潮流動(dòng)力強(qiáng)，且構(gòu)造復(fù)雜穩(wěn)定性差，位于南堡凹陷曹妃甸斷裂附近，為第四紀(jì)活動(dòng)斷裂。這種海底侵蝕的加劇，使得甸頭深槽的斜坡坡度有變陡的趨勢(shì)，斜坡穩(wěn)定性將進(jìn)一步降低，海底滑坡的危險(xiǎn)性增大，一旦在風(fēng)暴潮或地震等外力觸發(fā)下易發(fā)生海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)礦石碼頭的安全是不利的，對(duì)曹妃甸港造成巨大的安全隱患。利用GEO-SLOPE軟件，建立了曹妃甸水下斜坡計(jì)算模型，模擬了波浪作用、建筑荷載、地震力等工況條件，進(jìn)行了曹妃甸深槽水下斜坡穩(wěn)定計(jì)算分析，并對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了探討。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1研究區(qū)域

圖1 研究區(qū)位置示意Fig.1 Location map of the study area

曹妃甸沙島位于渤海灣北部岸線轉(zhuǎn)折處，地理坐標(biāo)北緯38°55′，東經(jīng)118°30′。曹妃甸沙島距離大陸岸線約18 km，呈長(zhǎng)條狀沿NE-SW向方向延伸，海底的地形和地貌較復(fù)雜，屬于現(xiàn)代海洋動(dòng)力地貌，曹妃甸深槽地貌由曹妃甸淺灘和甸頭前沿深槽組成[3]。曹妃甸工程建設(shè)前，島頂高程2～4 m，沙島長(zhǎng)約8 km，寬400～700 m; 沙島北側(cè)與大陸岸線之間原為淺水潟湖與淺灘區(qū)，淺灘水深較小，大潮時(shí)僅中央條帶狀沙脊出露。2003年曹妃甸開始大面積填海造陸，建設(shè)曹妃甸港口工業(yè)區(qū)，徹底改變了灘海地貌，形成前島后陸的格局，而曹妃甸岬角地貌特征得以保留(見圖1)。曹妃甸沙島呈三角形突出于海中，沙島南側(cè)水下岸坡較陡，坡度2°～4°，30 m等深線距曹妃甸甸頭約500 m。該深槽是渤海灣最深的水域，深槽最大水深2013年測(cè)量為42 m，甸頭南側(cè)深槽走向呈近東西向分布，底部為侵蝕洼地，與障壁島形狀類似，洼地呈三角形條帶分布，溝槽北陡南緩，槽底缺失全新世沉積層。

1.2研究方法

目前海底斜坡穩(wěn)定性的常規(guī)分析方法可歸為三類：極限平衡法；數(shù)值分析法和概率法[4-5]。1) 極限平衡法的理論要點(diǎn)是作用在土體上的剪切應(yīng)力等于土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)土體將發(fā)生破壞，其優(yōu)點(diǎn)是模型簡(jiǎn)單方便，用的最普遍，但它很大程度上依賴于對(duì)土體性質(zhì)的精確了解，不能計(jì)算出斜坡土體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變、超孔隙水壓對(duì)土體強(qiáng)度的影響。2) 數(shù)值分析法主要是采用本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，能反映應(yīng)變—應(yīng)力的發(fā)展過程，有助于認(rèn)識(shí)斜坡失穩(wěn)的機(jī)理。3) 斜坡穩(wěn)定性分析中有許多不確定的因素，傳統(tǒng)的安全系數(shù)法無法反映巖土參數(shù)的不確定性，而概率法采用均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值來表示土體性質(zhì)，從而形成基于可靠度理論的斜坡穩(wěn)定性分析方法。

加拿大GEO-SLOPE國際有限公司推出的斜坡分析計(jì)算模塊SLOPE/W采用極限平衡理論，通過數(shù)值模擬運(yùn)算，利用概率的方法進(jìn)行斜坡可靠度評(píng)價(jià)，可以評(píng)價(jià)斜坡穩(wěn)定性。孫永福等[6]利用GEO-SLOPE/W軟件對(duì)黃河三角洲埕島油田海域水下斜坡在風(fēng)暴潮作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量計(jì)算，結(jié)果顯示斜坡表層土體存在產(chǎn)生滑移破壞的可能。該方法把空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題來處理。先假定一個(gè)擾動(dòng)因素，土坡中出現(xiàn)一條滑裂面，計(jì)算其穩(wěn)定安全系數(shù)，假設(shè)還存在其它的滑裂面，以同樣的方法計(jì)算安全系數(shù)，重復(fù)這樣的工作，找出最危險(xiǎn)的滑面，即安全系數(shù)最小的滑面，然后分別對(duì)單個(gè)土條或整個(gè)土體利用力的平衡、力矩平衡、摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則等建立關(guān)系式并求解[7]。

極限平衡法是建立在摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則基礎(chǔ)上的,其表達(dá)式為：

式中：τf為破壞面上的剪應(yīng)力，c′為土的有效黏聚力，σ′為破壞面上的有效法向應(yīng)力，φ′為土的有效內(nèi)摩擦角。

式中：Fs為安全系數(shù)，γ′為土的浮容重，γw為水的容重，g為重力加速度，H為水深，h為滑動(dòng)面深度，β為海底坡角，φ為土的內(nèi)摩擦角，c為黏聚力。當(dāng)滑動(dòng)面以上塊體向下產(chǎn)生的滑動(dòng)應(yīng)力超過了滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生海底滑坡?？梢杂冒踩禂?shù)來表示，理論上Fs大于1時(shí)，斜坡是穩(wěn)定的。當(dāng)Fs小于1時(shí)，斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，出于一定的安全儲(chǔ)備考慮通常采用最低安全系數(shù)1.3的控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)計(jì)算的安全系數(shù)小于1.3時(shí)，認(rèn)為斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有可能發(fā)生滑移等失穩(wěn)破壞。

2 海底斜坡穩(wěn)定性分析模型

海底斜坡穩(wěn)定性取決于2個(gè)條件：一是斜坡本身?xiàng)l件,包括斜坡地形坡度、斜坡土層結(jié)構(gòu)、土質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)等；二是外部環(huán)境動(dòng)力條件,包括重力、波浪力、地震力、建筑載荷等。而且不同的斜坡具有不同的地質(zhì)和動(dòng)力環(huán)境條件，建立海底斜坡計(jì)算模型需要確定的基本參數(shù)有海底地形參數(shù)、地層結(jié)構(gòu)參數(shù)、土體物理力學(xué)參數(shù)等指標(biāo)，按照不同工作條件的設(shè)計(jì)狀況和荷載組合，采用總應(yīng)力極限平衡法進(jìn)行海底斜坡穩(wěn)定性計(jì)算，并運(yùn)用GEO-SLOPE斜坡分析軟件進(jìn)行斜坡穩(wěn)定性數(shù)值分析。

2.1模型斷面的選擇

模型斷面的選擇是基于以下幾個(gè)方面考慮的[8]：1) 模型斷面應(yīng)選擇海底坡度最陡的位置,及最可能發(fā)生滑坡的區(qū)域,這樣對(duì)評(píng)價(jià)深槽斜坡穩(wěn)定性才具有代表性; 2) 模型斷面上應(yīng)有控制鉆孔,這樣模型參數(shù)的選擇才有依據(jù); 3) 模型斷面的選擇應(yīng)選在對(duì)擬建或已建工程安全隱患最大的地方。因此將模型斷面選在已建25萬噸礦石碼頭附近，模型斷面及鉆孔位置如圖2所示。同時(shí)該斷面海底地形為坡度變化最大位置，海底斜坡坡度為4%～9%(如圖3)。

圖2 模型斷面及鉆孔位置圖Fig.2 Section model and drilling location

圖3 模型斷面水深圖Fig.3 Section depth map

2.2建立模型地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)礦石碼頭勘察資料，海底斜坡區(qū)地層較復(fù)雜，海底面80 m以下共劃分6個(gè)層位，自上而下詳細(xì)描述如下：

① 粉細(xì)砂

飽和，松散～中密狀態(tài)，分布不均勻。層底標(biāo)高一般在-3～-36.5 m左右，厚度約為3～28 m，由曹妃甸向南逐漸變薄。

② -1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土

軟～可塑狀，中～中上塑性，該層分布不連續(xù)，在深水區(qū)該地層缺失。層底標(biāo)高一般在-28～-33 m左右，厚度約為2～5 m。

② -2粉細(xì)砂

飽和，松散，局部稍密狀，該層層位穩(wěn)定，分布連續(xù)。層底標(biāo)高一般在-34～-45 m左右，厚度約為5～10 m。

③ 粉質(zhì)黏土

可塑狀為主，中～中上塑性，土質(zhì)不均，該層層位穩(wěn)定，分布連續(xù)。層底標(biāo)高一般在-47～-53 m左右，厚度約為6～13 m。

④ -1 粉土

密實(shí)狀，層面起伏較大，分布不連續(xù)，局部夾有黏土和粉細(xì)砂透鏡體，主要分布曹妃甸沙島和淺水區(qū)。層底標(biāo)高一般在-52～-56 m左右，厚度約為2～9 m。

④ -2 亞砂土

中密-密實(shí)狀，以粉砂為主，低塑性，含少量黏性土分布不連續(xù)，主要分布遠(yuǎn)離曹妃甸沙島深水區(qū)。層底標(biāo)高一般在-55～-60 m左右，厚度約為2～9 m。

⑤ 粉細(xì)砂

飽和，中密，均勻，局部為砂質(zhì)粉土，該層層位穩(wěn)定，分布連續(xù)。層底標(biāo)高一般在-63～-66 m左右，厚度約為6～9 m。

⑥ 亞黏土

圖4 水下斜坡穩(wěn)定性計(jì)算模型示意Fig.4 Sketch map of the underwater slope stability calculation model

密實(shí)狀，硬塑狀，中塑性，該層分布連續(xù)，層位穩(wěn)定。

建立水下斜坡穩(wěn)定性計(jì)算模型(圖4)。該斜坡為海底土質(zhì)斜坡，斜坡模型計(jì)算長(zhǎng)度為1 500 m，海底地層80 m以內(nèi)劃分了6層，模型結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜。高程系統(tǒng)以曹妃甸理論深度最低潮面為基準(zhǔn)。把碼頭0+000位置(鉆孔Y01點(diǎn)見圖2)作為模型斷面坐標(biāo)起點(diǎn)，向南延伸約1 500 m，約在1 000 m位置海底水深最大，約為-40 m，向南海底逐漸抬升。圖4中向下箭頭表示海底地層承受海水壓力作用，該剖面橫切深槽，具有典型代表意義。

2.3土體強(qiáng)度參數(shù)的選定

研究區(qū)內(nèi)土體物理力學(xué)參數(shù)具有較大的分散性，采取強(qiáng)度參數(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算，各土層土的強(qiáng)度指標(biāo)如表1所示。

表1 曹妃甸礦石碼頭土體主要物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 The index table of Caofeidian Ore Terminal's main soil physical and mechanical properties

2.4海底斜坡環(huán)境動(dòng)力條件

研究區(qū)為渤海灣古灤河三角洲發(fā)育的沖積海積平原，海底斜坡以沖刷作用為主，屬于現(xiàn)代海洋動(dòng)力地貌，外部環(huán)境動(dòng)力條件包括土層重力、潮流波浪力、地震力、建筑載荷等。曹妃甸海域位于渤海灣口北側(cè)，主要受渤海潮波系統(tǒng)控制，潮汐性質(zhì)屬于不規(guī)則半日潮。據(jù)實(shí)測(cè)資料曹妃甸甸頭平均高潮位為0.81 m，平均低潮位為-0.73 m，平均潮差為1.54 m，曹妃甸海域平均潮差由東向西逐漸增大；潮流基本呈往復(fù)流形式，漲潮流向西，落潮流向東；漲、落潮水流受地形控制明顯，曹妃甸甸頭附近潮流最強(qiáng)，并向兩側(cè)呈減弱趨勢(shì)。曹妃甸海域波浪以風(fēng)浪為主，涌浪為次，風(fēng)浪波高多在0.7～1.1 m，海域常浪向?yàn)镾、SE，強(qiáng)浪向ENE、NE向，夏季波高較小，冬春季波高較大。研究區(qū)域?yàn)?級(jí)地震設(shè)防。

3 不同環(huán)境條件下海底斜坡穩(wěn)定性分析

海底斜坡受到多種外部環(huán)境條件影響和控制，因此需要模擬多種工況環(huán)境，輸入模型邊界外力條件。外界影響條件主要包括分析海底斜坡自身重力、海平面變化、波浪作用、建筑物附加荷載和地震力作用等條件。首先進(jìn)行每種單一環(huán)境條件下海底斜坡穩(wěn)定影響分析，然后再按荷載基本組合持久狀況和偶然組合短暫狀況兩種設(shè)計(jì)狀況進(jìn)行海底斜坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。

3.1單一環(huán)境條件下的海底斜坡穩(wěn)定性影響分析

3.1.1 工程建設(shè)前自然狀態(tài)下的海底斜坡穩(wěn)定性分析

圖5 工程建設(shè)前自然狀態(tài)下滑移面形態(tài)示意Fig.5 Schematic diagram of sliding surface morphology before construction in the natural state

工程建設(shè)前，海洋環(huán)境條件采用海平面標(biāo)高0 m，不考慮波浪壓力等水動(dòng)力影響，計(jì)算在自身重力荷載作用下，根據(jù)鉆孔資料，利用前面選定的參數(shù)，得出滑面的最小安全系數(shù)為5.24(如圖5所示)。最小安全系數(shù)值較大，因此在自身重力荷載情況下該區(qū)土體穩(wěn)定性較好，不可能發(fā)生滑坡。

3.1.2 海平面變動(dòng)對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性影響分析

表2是塘沽、曹妃甸不同重現(xiàn)期極值高潮位和極值低潮位。100 a一遇的極值高潮位為4.75 m，100 a一遇的極值低潮位為-1.42 m。模擬了海平面水位h=5 m、4 m、3 m、2 m、1 m、0 m、-1 m、-2 m海底斜坡穩(wěn)定性分析，結(jié)果如表3所示。

表2 曹妃甸不同重現(xiàn)期極值高潮位和極值低潮位Tab.2 Caofeidian extreme high or low tide in different return period

表3 海平面高程對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)Tab.3 Safety factor corresponding to sea level elevation

海面水位從5 m逐漸降到-2 m，安全系數(shù)從5.29降到5.17，海平面水位的變化對(duì)海底斜坡安全系數(shù)影響較小，隨海面水位的降低，海底斜坡安全系數(shù)變小，但變化幅度較小。按水位的驟降進(jìn)行模擬，模擬在大潮期水位急降的情況，海面水位從5 m降到-2 m，海底斜坡安全系數(shù)為4.89，水位的急降階段有順坡的滲流發(fā)生，使安全系數(shù)減低，但正常的潮汐降落水位變動(dòng)幅度較小，海底斜坡還是穩(wěn)定的，因此海平面的變化對(duì)海底穩(wěn)定性影響較小，為不敏感因素。

3.1.3 波浪對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性的影響

包括風(fēng)暴潮在內(nèi)的波浪荷載是海洋地基土受到的最頻繁和最嚴(yán)峻的動(dòng)荷載，海底斜坡土體的失穩(wěn)大多與其相關(guān)[9]。波浪荷載導(dǎo)致海底斜坡失穩(wěn)主要有2方面的原因：1) 大風(fēng)浪和潮位的較大變化往往激發(fā)了海底表層沉積物活動(dòng)性，同時(shí)，也增加了土體的滑動(dòng)剪切應(yīng)力；2) 大風(fēng)浪和潮位的較大變化使土體內(nèi)產(chǎn)生超空隙水壓力，有效應(yīng)力隨之減小，致使斜坡土體的抗剪強(qiáng)度下降。在波浪動(dòng)荷載作用下，隨著下滑力的加大和土體的抗剪強(qiáng)度下降，海底斜坡淺部土層產(chǎn)生滑坡的可能性將大大增加。

由于水深地形的影響及海底摩擦等因素，當(dāng)波浪由深水區(qū)向淺水區(qū)傳播時(shí)，波形將愈來愈不對(duì)稱，波谷變得平坦，而波峰變得更尖。研究區(qū)為曹妃甸近海，艾里波理論在該海域具有適用性。通過艾里波理論可計(jì)算波浪對(duì)海底波壓力的變化[10]。

假定海底為剛性，根據(jù)艾里波理論，波浪對(duì)海底波壓力可表示為：

式中：γw為海水容重，取10.3 kN/m3；H為波高(m)；h為水深(m)。

波壓力的大小與波高成正比關(guān)系，表4為曹妃甸海域不同重現(xiàn)期的波浪要素，5 a一遇，波長(zhǎng)L=80 m，50 a一遇，波長(zhǎng)L=90 m。按5 a重現(xiàn)期和50 a重現(xiàn)期兩種設(shè)計(jì)海況情況進(jìn)行波壓力P0計(jì)算。采用GEO-SLOPE軟件計(jì)算海底斜坡穩(wěn)定性，波浪在海底土體向下傳播的過程中振幅是逐漸衰減的，也就是，波浪在土層中傳播的能量是衰減的[11]，因此，海底處波壓力最大，海底下地層的波壓力隨深度的增加而減小，按海底安全最不利因素考慮，將海底波浪對(duì)海底的波壓力P0作為海底斜坡附加外力考慮，不需按海底地層深度折減，計(jì)算的海底波壓力P0如表5所示，可以看出海底的波壓力隨水深增大而減小。

表4 不同重現(xiàn)期波要素Tab.4 Wave elements in different return periods

表5 5 a和50 a重現(xiàn)期波浪對(duì)海底土體的壓力計(jì)算表Tab.5 The pressure on the seabed soil in 5-year and 50-year return periods of the waves

結(jié)合前面所提到海洋水動(dòng)力對(duì)海底土體的作用，取相應(yīng)水深波浪對(duì)海底土體的波壓力，對(duì)研究區(qū)海底斜坡施加波浪所引起的豎向作用力后，用GEO-SLOPE軟件進(jìn)行海底斜坡穩(wěn)定安全系數(shù)和滑移面計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表6所示。按5 a一遇波浪作用，海底滑面的安全系數(shù)為2.81,最危險(xiǎn)滑面出現(xiàn)在海底淺表層，滑移面深度小于0.4 m，寬度小于5 m，海底斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；按50 a一遇波浪作用，海底滑面的安全系數(shù)為0.84,海底淺表層可能發(fā)生滑移破壞，可能的滑移面沿坡面分布于水深2～10 m位置，滑移面深度小于1.5 m，寬度小于120 m，海底斜坡淺表層將發(fā)生滑塌、滑移等破壞；水動(dòng)力作用下的安全系數(shù)相比于自然狀態(tài)下大大降低?？梢姴ɡ藢?duì)海底斜坡穩(wěn)定性起著非常巨大的作用。

表6 波浪作用下海底斜坡穩(wěn)定性計(jì)算Tab.6 Calculation of submarine slope stability under the action of wave

3.1.4 建筑物附加荷載對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性影響分析

曹妃甸港主體設(shè)施建設(shè)從2004年4月25日起在海上吹填造陸，歷時(shí)19個(gè)月，于2005年12月1日完工，建成2座25萬噸級(jí)礦石泊位。礦石碼頭從2005年12月1日正式開航運(yùn)營(yíng)，礦石碼頭采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)808 m，其中靠泊岸線長(zhǎng)度735 m，碼頭前沿停泊水域底標(biāo)高-25 m，碼頭及堆場(chǎng)區(qū)平面標(biāo)高為5 m。附加荷載作用寬度按碼頭的實(shí)際位置，南至水深-25 m處，北至近岸堆場(chǎng)，荷載作用寬度約500 m，因碼頭區(qū)與堆場(chǎng)區(qū)基礎(chǔ)形式不同，荷載存在差異，北側(cè)近岸堆場(chǎng)區(qū)荷載力小，南側(cè)碼頭荷載力作用力大，依據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5077-1997)，堆場(chǎng)區(qū)荷載按土石壩考慮取20 kN/m3，碼頭區(qū)荷載按鋼筋混凝土地基考慮取25 kN/m3，作用在斜坡上的建筑附加荷載如表7和圖6所示。計(jì)算海底斜坡安全系數(shù)為3.69，與自然狀態(tài)情況下相比，安全系數(shù)有所降低，但其值依然較大，海底斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生破壞。

表7 附加荷載計(jì)算表Tab.7 Additional load calculation table

圖6 附加荷載與距離關(guān)系曲線Fig.6 Curve of attached load and distance

3.2荷載基本組合持久狀況對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性影響分析

海底斜坡穩(wěn)定性有許多不確定因素，各種影響因素的機(jī)制和作用是不同的,實(shí)際上是由不同時(shí)期進(jìn)行的各種復(fù)雜作用的綜合結(jié)果所致[12]。由于目前曹妃甸碼頭等主體工程已經(jīng)建設(shè)完成，正在使用階段，考慮實(shí)際工況條件，按最危險(xiǎn)的組合情況，進(jìn)行海底斜坡穩(wěn)定性模擬計(jì)算，計(jì)算不利組合條件，海面標(biāo)高0 m，附加荷載按表7計(jì)算，波浪力作用按重現(xiàn)期50 a一遇考慮，安全系數(shù)為2.78，海底斜坡為穩(wěn)定狀態(tài)，海底斜坡滑移不會(huì)產(chǎn)生。發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，單獨(dú)考慮波浪的作用，海底會(huì)發(fā)生淺表層滑塌、滑移破壞，而按不利組合條件考慮，海底斜坡反而是穩(wěn)定的。因?yàn)楹５仔逼略?0 a一遇波浪作用下發(fā)生破壞的部位位于淺表層，且發(fā)生破壞的位置在水深2～10 m的位置，而在工況條件下，在原可能發(fā)生破壞的位置，現(xiàn)已建成堆場(chǎng)區(qū)，且前沿碼頭阻隔了波浪對(duì)海底的沖刷作用。

3.3荷載偶然組合短暫狀況對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性影響分析

地震發(fā)生是一種小概率事件，偶然組合短暫狀況主要是考慮地震作用。斜坡的地震動(dòng)力穩(wěn)定性計(jì)算主要有擬靜力法、Newmark滑塊分析法和有限元時(shí)程分析法等[13]。擬靜力法是將地震作用簡(jiǎn)化，在靜力計(jì)算基礎(chǔ)上再考慮地震慣性力作用，也就是將地震作用當(dāng)成一個(gè)附加的地震慣性力，應(yīng)用簡(jiǎn)單可靠。這里采用擬靜力法計(jì)算，輸入水平向地震荷載，進(jìn)行斜坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算。

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)，地震烈度與地震系數(shù)的關(guān)系見表8。

表8 地震系數(shù)與地震烈度關(guān)系Tab.8 Relation table of seismic coefficient and seismic intensity

結(jié)合前面的模型，采用3種不同的組合條件，針對(duì)不同的地震烈度，取相應(yīng)的地震系數(shù)，對(duì)模型施加水平方向的地震荷載，用GEO-SLOPE軟件計(jì)算得出滑面的安全系數(shù)見表9所示。

表9 不同組合條件下地震烈度與安全系數(shù)關(guān)系表Tab.9 Relation table of different seismic intensities and safety factors

由表9可以看出，隨著地震烈度增大，海底斜坡安全系數(shù)會(huì)明顯降低，可見地震對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性起著非常巨大的作用。在工程建設(shè)前，不考慮附加荷載和50 a一遇波浪作用，當(dāng)?shù)卣鹆叶却笥赩III時(shí)，安全系數(shù)小于1，海底斜坡就會(huì)失穩(wěn)。海底斜坡在附加了建筑荷載后，海底斜坡安全系數(shù)沒有降低，反而升高，因此，附加的建筑荷載反而有利用抗震性能的提高。按曹妃甸海區(qū)VII地震設(shè)防烈度計(jì)算，海底斜坡在自然狀態(tài)下最低安全系數(shù)為1.62，海底斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 語

以曹妃甸深槽典型海域?yàn)檠芯磕繕?biāo)，對(duì)碼頭工程區(qū)海底斜坡在不同組合設(shè)計(jì)狀況條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算。不同條件作用下，海底斜坡穩(wěn)定性存在較大差異，海底斜坡發(fā)生滑移破壞形式不同。

1)海面潮汐等變化對(duì)海底穩(wěn)定性影響較小，為不敏感因素，工程建設(shè)后，增加了附加建筑物荷載，使海底斜坡安全系數(shù)降低，但安全系數(shù)還是較大，海底斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)風(fēng)暴潮、波浪、地震力等外力條件對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性影響較大，為敏感因素，但影響的程度和位置不同，風(fēng)暴潮、波浪對(duì)海底斜坡的影響作用主要表現(xiàn)為海底淺表層，危害較小，而地震力極端條件對(duì)海底斜坡的影響作用主要表現(xiàn)為海底中深層，危害較大，但只有地震烈度大于VIII時(shí)才會(huì)影響海底斜坡安全，在曹妃甸海區(qū)VII地震設(shè)防烈度標(biāo)準(zhǔn)下，海底斜坡安全系數(shù)較大，海底斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)海底穩(wěn)定性還與土體強(qiáng)度指標(biāo)、地形等內(nèi)在因素有關(guān)，不同的位置，海底斜坡安全系數(shù)也會(huì)不同，因此區(qū)域性的海底穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，還應(yīng)進(jìn)行一定數(shù)量的不同位置斷面的海底斜坡穩(wěn)定性分析計(jì)算，但其他位置缺少詳細(xì)的地質(zhì)資料，將很難進(jìn)行準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)，還需隨著地質(zhì)工作的開展，逐步推進(jìn)海底穩(wěn)定評(píng)價(jià)工作。該典型斷面的選取，具有重要的代表意義，可以為類似近海建設(shè)工程提供重要的參考作用。

[1] 季榮耀，陸永軍，左利欽.渤海灣曹妃甸深槽形成機(jī)制及穩(wěn)定性分析[J].地理學(xué)報(bào)，2011，66(3)：348-355.(Jl Rongya,LU Yongjun,ZUO Liqin.Formation mechanism and stability of caofeidian channel in the bohai bay[J].Acta Geographica Sinica,2011，66(3)：348-355.(in Chinese))

[2] 胡光海，劉振夏，房俊偉.國內(nèi)外海底斜坡穩(wěn)定性研究概況[J].海洋科學(xué)進(jìn)展，2006,24(1)：130-136.(HU Guanghai,LIU Zhenxia,FANG Junwei.A review of submarine slope stability studies at home and abroad[J].Advances in Marine Science，2006，24(1)：130-136.(in Chinese))

[3] 吳澎,姜俊杰.曹妃甸港區(qū)選址研究[J].水運(yùn)工程，2011，9(9):457-458.(WU Peng,JIANG Junjie.Site selection of Caofeidian port area[J].Port & Waterway Engineering，2011，9(9):457-458.(in Chinese))

[4] 顧小蕓.海底邊坡穩(wěn)定分析方法綜述[J].力學(xué)進(jìn)展，1989(1):50-59.(GU Xiaoyun.State of the art:analytical methods of submarine slope stability[J].Advances in Mechanics，1989(1):50-59.(in Chinese))

[5] 史慧杰，褚宏憲，高小惠.海底斜坡穩(wěn)定性研究進(jìn)展及分析[J].海洋地質(zhì)前沿，2013，29(3)：44-45.(SHI Huijie,CHU Hongxian,GAO Xiaohui.The discussion of submarine slope stability analysis[J].Marine Geology Frontiers,2013，29(3)：44-45.(in Chinese))

[6] 孫永福，董立峰，蒲高軍,等.風(fēng)暴潮作用下黃河水下三角洲斜坡穩(wěn)定性研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14(5)：582-587.(SUN Yongfu,DONG Lifeng,PU Gaojun,et al.Stability analysis of slope in the subaqueous delta of the Yellow River under storm wave loading[J].Journal of Engineering Geology,2006,14(5)：582-587.(in Chinese))

[7] 章熙海，楊余旺，王曉青.土坡穩(wěn)定性計(jì)算極限平衡方法綜述[J].華南地震，2006，26(2):28-35.(ZHANG Xihai,YANG Yuwang,WANG Xiaoqing.Summarize of the limit equilibrium methods for clayey slope stability[J].South China Journal of Seismology，2006，26(2):28-35.(in Chinese))

[8] 方中華.曹妃甸甸頭深槽災(zāi)害地質(zhì)因素研究及穩(wěn)定性分析[D].青島:中國海洋大學(xué)，2014.(FANG Zhonghua.Study on the geological disaster research and stability analysis of caofeidian deep groove[D].Qingdao:Ocean University of China，2014.(in Chinese))

[9] 蔡正銀，陳海軍，張桂榮,等.波浪荷載作用下灘海人工島工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].水利學(xué)報(bào)，2007， 增刊：220-225.(CAI Zhengyin,CHEN Haijun,JIAO ZhiBin.et al.Stability analysis on the artificial island under wave loading[J].Journal of Hydraulic Engineering，2007,S1：220-225.(in Chinese))

[10] 許國輝，單紅仙，賈永剛,等.風(fēng)暴浪導(dǎo)致的黃河口水下土體破壞試驗(yàn)研究[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2003,33(5):675-679.(XU Guohui,SHAN Hongxian,JIA Yonggang,et al.Test of soil failure under storm wave loadings on the Yellow River subaqueous delta[J].Journal of Ocean University of Qingdao,2003,33(5):675-679.(in Chinese))

[11] 李安龍，李廣雪，林霖,等.波浪作用下粉土海床中的孔壓響應(yīng)試驗(yàn)研究[J].海洋通報(bào)，2012，31(1)：16-20.(LI Anlong,LI Guangxue,LIN Lin,et al.Experiment study on pore pressure responses to wave action on silt seabed[J].Marine Science Bulletin,2012,31(1)：16-20.(in Chinese))

[12] 胡光海，劉忠臣，孫永福,等.海底斜坡土體失穩(wěn)的研究進(jìn)展[J].海岸工程，2004， 23(1)： 63-72.(HU Guanghai,LIU Zhongchen,SUN Yongfu,et al.Advances in the research on sediment failure on submarine slope[J].Coastal Engineering，2004， 23(1)： 63-72.(in Chinese))

[13] 聶柏松,沈振中,仲良,等.基于強(qiáng)度折減動(dòng)力分析法的巖體邊坡穩(wěn)定性分析[J].水電能源科學(xué)，2013，31(9)：131-134.(NIE Baisong,SHEN Zhenzhong,ZHONG Liang,et al.Rock slop stability analysis by strength reduction dynamic method[J].Water Resources and Power，2013，31(9)：131-134.(in Chinese))

[14] 彭艷菊，呂悅軍，徐杰,等.渤海地區(qū)地震危險(xiǎn)性特征及對(duì)工程抗震設(shè)防的啟示[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27(1)：20-23.(PENG Yanju,LV Yuejun,XU Jie,et al.Seismic risk zoning in Bohai and its inspiration to engineering earthquake resistance[J]Progress in Geophysics,2012，27(1)：20-23.(in Chinese))

Analysis and evaluation on the slope stability of Caofeidian deep trough

CHU Hongxian1，2,FANG Zhonghua1，2,SHI Huijie1，2,GAO Xiaohui1，2

(1.Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology,Ministry of Land Resources,Qingdao Institute of Marine Geology,Qingdao 266071,China; 2.Laboratory for Marine Mineral Resources,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China)

P753

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.03.013

1005-9865(2016)03-0114-09

2015-10-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276060)；國家專項(xiàng)(GZH201200504)

褚宏憲(1973-)，男，山東棗莊人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事地球物理調(diào)查研究。E-mail:chx-8@163.com