劉 陽，劉家才

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

爆破擠淤堤防滲閉氣土的穩(wěn)定性研究

劉 陽，劉家才

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

針對防滲設(shè)計時如何利用爆破擠淤產(chǎn)生淤泥包的問題，進(jìn)行了防滲閉氣土穩(wěn)定性的研究?；陂]氣土滲透破壞機(jī)理，采用數(shù)值模擬的手段分析了影響閉氣土穩(wěn)定的參數(shù)敏感性，結(jié)合大小魚山南防波堤工程的水文、地形資料，進(jìn)行閉氣土穩(wěn)定性計算，提出淤泥包可保留厚度的建議值。研究結(jié)果表明，降雨入滲對閉氣土的穩(wěn)定性具有重要影響，需采取有效措施控制降雨入滲量；內(nèi)外水位對閉氣土穩(wěn)定性的影響其次且相當(dāng)，存在一個高程，該高程以下的淤泥包作為防滲閉氣土是穩(wěn)定的，無需設(shè)置倒濾結(jié)構(gòu)，大小魚山南堤淤泥包保留厚度建議值為-3.0 m高程。研究成果可為閉氣土的防滲設(shè)計提供理論依據(jù)，為工程建設(shè)節(jié)省投資。

爆破擠淤；滲透破壞；閉氣土；參數(shù)敏感性；穩(wěn)定性

沿海圍墾建設(shè)石油化工園區(qū)，不僅要進(jìn)行園區(qū)內(nèi)地表的防滲設(shè)計[1]，而且要在圍堤內(nèi)側(cè)設(shè)置閉氣土防滲體，防止內(nèi)外水系的貫通。在軟土層厚度不大的地質(zhì)條件下采用爆破擠淤筑堤，對擠淤過程中堤身內(nèi)側(cè)拱起的淤泥一般采用局部清除至原泥面，然后施工倒濾層，再施工閉氣土達(dá)到防滲效果。但當(dāng)軟土厚度過大時，置換出來的淤泥包也很大，若采用傳統(tǒng)的清淤方案，會導(dǎo)致挖泥工作量較大，而且，在環(huán)保要求日益提高的今天，棄泥點的審批落實難度也很高。因此，對淤泥包的處理和利用成為一個關(guān)鍵問題。若處理不當(dāng)，將會引起工程問題，如海堤后方坍塌形成空洞[2-3]。

針對上述問題，本文基于閉氣土滲透破壞機(jī)理，研究影響閉氣土穩(wěn)定性的因素，進(jìn)行敏感性分析，并依托大小魚山南防波堤工程的相關(guān)資料，進(jìn)行閉氣土穩(wěn)定性計算，提出爆破擠淤過程中拱起淤泥包可保留厚度的建議值，為類似工程提供理論依據(jù)。

1 閉氣土滲透破壞機(jī)理

土體的滲透破壞可分為流土、管涌、接觸沖刷和接觸流失4種。

爆破擠淤堤堤身材料為開山石，內(nèi)側(cè)設(shè)置閉氣土，閉氣土方以黏性土為主，含石量不大于5%，滲透系數(shù)應(yīng)小于1伊10-6cm/s。若該閉氣土方直接與堤身開山石接觸，當(dāng)滲透比降超過臨界滲透比降時，閉氣土方將會在滲流力作用下被推移到開山石中，發(fā)生接觸流失破壞。

為防止閉氣土方接觸流失，需要在閉氣土方與開山石之間設(shè)置反濾結(jié)構(gòu)（碎石墊層+土工布）。而反濾結(jié)構(gòu)底高程的選擇取決于反濾結(jié)構(gòu)下方與開山石直接接觸的閉氣土的穩(wěn)定性，即閉氣土滲透比降不超過臨界滲透比降時，閉氣土方可保持穩(wěn)定。

2 參數(shù)敏感性分析

根據(jù)閉氣土滲透破壞機(jī)理，要研究閉氣土的穩(wěn)定性，需先確定淤泥包與開山石接觸面上閉氣土的滲透比降。本節(jié)采用由中仿科技公司開發(fā)的GEO-SEEP土體滲流分析軟件，首先建立飽和滲流本構(gòu)模型，再賦值不同的材料屬性及邊界條件（包括閉氣土滲透系數(shù)、內(nèi)海側(cè)水位、外海側(cè)水位及降雨入滲等），然后通過有限元方法求閉氣土與開山石接觸面上不同高程節(jié)點的滲透比降，最后研究各參數(shù)變化對閉氣土滲透比降的影響，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

2.1 計算模型及參數(shù)

本次計算采用多孔介質(zhì)模型，假定材料屬性均質(zhì)且各向同性，以飽和滲透系數(shù)體現(xiàn)各材料間的差異。結(jié)合南防波堤工程典型斷面，建立模型如圖1所示。模型參數(shù)選取及邊界條件詳見表1。

圖1 滲流分析模型Fig.1 Model of seepage analysis

表1 模型材料參數(shù)及邊界條件Table1 Material parameters and boundary conditions in model

參數(shù)的取值變化如下：

1）閉氣土滲透系數(shù)變化：其它參數(shù)及邊界條件不變，閉氣土滲透系數(shù)分別取1伊10-9m/s、3伊10-9m/s、7伊10-9m/s及 9伊10-9m/s。

2）內(nèi)海側(cè)邊界水頭變化：材料參數(shù)及其它邊界條件不變，內(nèi)海側(cè)總水頭分別取1.4 m、1.7 m、2.3 m及2.6 m。

3）外海側(cè)邊界水頭變化：材料參數(shù)及其它邊界條件不變，外海側(cè)總水頭分別取0.34 m、-0.66 m、-2.16 m及-2.69 m。

4）內(nèi)海側(cè)邊界流量的變化：南防波堤工程區(qū)域降水主要集中在5—9月，占全年的51.4%。多年月平均降水量為91.2 mm，多年月最大降水量286.9 mm，多年月最小降水量17.6 mm。內(nèi)海側(cè)考慮降雨入滲的影響，按降水量10%計算，邊界單位流量取 7伊10-10m/s、1伊10-9m/s、3.5伊10-9m/s、7伊10-9m/s及1伊10-8m/s。材料參數(shù)及外海側(cè)邊界條件不變。

2.2 計算結(jié)果

采用2.1節(jié)所述模型及參數(shù)計算閉氣土與堤身開山石接觸面上閉氣土的滲透比降。在閉氣土與堤身開山石接觸面上選取A、B、C三點，高程分別為-2.0 m、-3.0 m和-4.0 m。分別計算A、B、C三點的滲透比降，計算結(jié)果見圖2。

圖 2（a）、（b）、（c）顯示，閉氣土滲透系數(shù)在同一數(shù)量級范圍內(nèi)變化，對滲透比降的影響很小；內(nèi)外側(cè)邊界水頭在可能發(fā)生的范圍內(nèi)變化，對滲透比降的影響較大。對比內(nèi)海側(cè)水頭2.6 m、外海側(cè)水頭-1.66 m的計算結(jié)果和內(nèi)海側(cè)水頭2.0 m、外海側(cè)水頭-2.16 m的計算結(jié)果，兩者非常接近，即內(nèi)外水頭差相近時滲透比降接近，這與滲透比降的定義也是吻合的。此外，計算結(jié)果顯示計算點的高程越低，滲透比降越小，說明在閉氣土與堤心開山石接觸面上存在一個點，該點上方的閉氣土易發(fā)生滲透破壞，必須設(shè)置倒濾結(jié)構(gòu)，該點下方的閉氣土穩(wěn)定，可不設(shè)置倒濾結(jié)構(gòu)。

圖2（d）顯示，降雨入滲對滲透比降的影響較大，因此在強(qiáng)降雨天氣作用時，需及時做好排水措施，減少降雨入滲，避免發(fā)生滲透破壞。此外，計算結(jié)果顯示同一降雨入滲量作用下，滲透比降隨高程先增加后減小，但變化幅度較小，且降雨入滲量越小，這種變化幅度越微弱。

圖2 各參數(shù)對滲透比降的影響Fig.2 Effects of different parameters on permeability gradient

2.3 參數(shù)敏感性分析

采用全局敏感性分析方法篩選與識別最敏感的參數(shù)（組），引入基效應(yīng)概念，即評估單個因子微小變化量引起的輸出響應(yīng)變化[4]。

式中：di（j）為第i個參數(shù)第j組樣本的基效應(yīng)；j=1，2，…，R（R為重復(fù)抽樣次數(shù)）；n為參數(shù)個數(shù)；xi為第i個參數(shù)；駐為單個參數(shù)的變化量；f（·）為對應(yīng)參數(shù)的響應(yīng)輸出。

通過基效應(yīng)的均值滋和標(biāo)準(zhǔn)差滓這兩個指標(biāo)來判斷參數(shù)的敏感性，其中滋表征參數(shù)的敏感度，確定參數(shù)的排序，滓表征參數(shù)之間的非線性或相互作用的程度。

先根據(jù)式（1）計算閉氣土滲透系數(shù)、內(nèi)海側(cè)邊界水頭、外海側(cè)邊界水頭及內(nèi)海側(cè)單位流量在A、B、C三點的基效應(yīng)，再根據(jù)式（2）和式（3）計算各基效應(yīng)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計算結(jié)果列于表2。

表2 參數(shù)基效應(yīng)及敏感性Table2 Base effect and sensibility of parameters

研究表明，內(nèi)海側(cè)單位流量（降雨入滲）對滲透比降最敏感，內(nèi)外水位對滲透比降的敏感性其次且相當(dāng)，同一數(shù)量級的滲透系數(shù)對滲透比降的敏感性最小。因此，在研究淤泥包可保留厚度時，需著重考慮降雨入滲及內(nèi)外水頭差的作用。

3 淤泥包保留厚度分析

結(jié)合大小魚山南防波堤工程的水文資料，通過參數(shù)敏感性分析，確定爆破擠淤產(chǎn)生淤泥包的保留厚度，該部分淤泥包作為防滲體，既減少清淤量，又不會因減少清淤而導(dǎo)致滲透破壞。

3.1 魚山海域潮位特征

2012年魚山海域全年最低潮位約-2.2 m，4月份某日的潮位變化特征曲線如圖3所示。

圖3 魚山海域潮位變化特征曲線Fig.3 Characteristic curve of tide variation in Yushan sea area

3.2 閉氣土允許滲透比降

土體臨界滲透比降可采用式（4）進(jìn)行計算[5]。

式中：Jcr為土體臨界滲透比降；Gs為土粒比重；n為土體孔隙率。

南防波堤爆破隆起的淤泥包為擾動后的III2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。III2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的天然孔隙比為1.25，含水率為45%，該土層位于海平面以下，飽和度按99%考慮，換算成土粒比重Gs為2.75，孔隙率為0.56。爆破振動后土粒比重不變，取2.75；孔隙率一般有所增加，增加幅度為2%~22%[6]，按淤泥包孔隙率平均增加12%取值，淤泥包孔隙率為0.63。代入式（4）計算得淤泥包的臨界滲透比降為0.65。

為保證防滲閉氣土的穩(wěn)定，需考慮一定安全儲備，取安全系數(shù)為1.5~2，則南防波堤閉氣土與堤身開山石接觸面的允許滲透比降為0.33~0.43。當(dāng)接觸面滲透比降不大于允許滲透比降時，閉氣土穩(wěn)定；反之，閉氣土將發(fā)生接觸流失破壞。

3.3 接觸面滲透比降

內(nèi)海側(cè)不考慮降雨入滲影響時，根據(jù)魚山海域潮位特征曲線，閉氣土與堤身開山石接觸面A、B、C三點滲透比降分別為0.420、0.385和0.335，均小于最大允許滲透比降。內(nèi)海側(cè)考慮降雨入滲影響時，取單位流量為2伊10-9m/s，接觸面A、B、C三點滲透比降均為0.308，小于最小允許滲透比降；取單位流量為3伊10-9m/s，接觸面A、B、C三點滲透比降均為0.462，略大于最大允許滲透比降；取單位流量2.5伊10-9m/s，接觸面各點滲透比降均為0.385，在允許滲透比降的控制范圍內(nèi)。

3.4 爆破擠淤淤泥包現(xiàn)狀

根據(jù)魚山南防波堤工程爆破淤泥包的地形測量資料，內(nèi)海側(cè)距離堤軸線21~61 m范圍內(nèi)，淤泥包最高處頂高程-2.5~-3.5 m，僅兩側(cè)靠近山體的堤段頂高程0.0~1.0 m。樁號K1+300、K1+550、K1+800和K2+050斷面內(nèi)海側(cè)淤泥線見圖4。

圖4 南防波堤爆破淤泥包頂高程Fig.4 Top surface elevation of blasting crowed silt in south embankment

3.5 淤泥包保留厚度建議值

淤泥包保留厚度應(yīng)遵循以下原則：

1）非降雨期，在外海側(cè)潮位變化作用下，未設(shè)置反濾結(jié)構(gòu)的閉氣土方穩(wěn)定。

2）降雨期，通過控制降雨入滲量，使閉氣土與堤身開山石接觸面不發(fā)生滲透破壞。

3）在滿足閉氣要求的前提下，盡量減少淤泥的清除。

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果及現(xiàn)場爆破淤泥包地形測量結(jié)果，并遵從以上原則：非降雨期，常規(guī)潮位作用下B點的滲透比降可滿足允許滲透比降的要求，即使遭遇200 a一遇極端低水位為-2.69 m，該點滲透比降0.442，滲透穩(wěn)定的安全系數(shù)也可達(dá)到1.47。降雨期，降雨入滲量起主要控制作用，B點的滲透比降最大，如控制降雨入滲單位流量不超過 2.5伊10-9m/s（6.5 mm/月），B 點的滲透比降可滿足允許滲透比降的要求。淤泥包最高處頂高程普遍為-2.5~-3.5 m，B點高程-3.0 m，幾乎無需清淤即可將反濾結(jié)構(gòu)底高程施工至-3.0 m；靠近山體堤段，僅需清除局部厚度2~3 m的淤泥，陸上采用長臂挖機(jī)清淤即可。因此，淤泥包保留厚度建議由傳統(tǒng)設(shè)計的天然泥面優(yōu)化至-3.0m高程。

南防波堤工程樁號K0+150~K3+100范圍內(nèi)可采取上述建議值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少清淤量約30萬m3，減少土工布鋪設(shè)約2.5萬m2，共計節(jié)約投資約600萬元。

4 結(jié)語

基于閉氣土滲透破壞機(jī)理，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，并優(yōu)化設(shè)計，得出以下結(jié)論：

1）降雨入滲對閉氣土與堤身開山石接觸面上滲透比降的影響最大，內(nèi)外水位對該滲透比降的影響其次且相當(dāng)，同一數(shù)量級的滲透系數(shù)對該滲透比降的影響最小。

2）降雨入滲是影響閉氣土穩(wěn)定的最主要因素，魚山海域圍墾工程中降雨入滲單位流量宜控制在 2.5伊10-9m/s（6.5 mm/月），故應(yīng)采取有效措施減少降雨入滲量，保證閉氣土的穩(wěn)定。

3）可保留部分爆破擠淤產(chǎn)生的淤泥包作為防滲體，既減少工程投資，又保證閉氣土穩(wěn)定。魚山海域圍墾工程中爆破擠淤產(chǎn)生的淤泥包保留厚度建議保留至-3.0 m高程，即-3.0 m高程以下無需設(shè)置倒濾結(jié)構(gòu)，閉氣土穩(wěn)定。與傳統(tǒng)要求的倒濾鋪設(shè)至天然泥面相比，可節(jié)約投資約600萬元。

[1] 吳維洋，孫墾，劉玉龍，等援我國大型石油煉化基地防滲工程研究[J]援華北水利水電大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，35（3）：43-48.WU Wei-yang,SUN Ken,LIU Yu-long,et al.Study on antiseepage projects in large-scale petrochemical plant of China[J].Journal of North China University of Water Resources and Electric Power:Natural Science Edition,2014,35(3):43-48.

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[6]楊聞宇，喻國良援機(jī)械振動作用下淤泥液化產(chǎn)生的細(xì)顆粒釋放機(jī)理[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報，2016，24（1）：86-91.YANG Wen-yu,YU Guo-liang.Microstructure change of under原water sedimentation in mechanical vibrations[J].Journal of Xiamen University of Technology,2016,24(1):86-91.

Stability on anti-seepage closure earthwork of blasting compaction embankment

LIU Yang,LIU Jia-cai
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Stability of anti-seepage closure earthwork is researched to find how to make use of the blasting crowded silt as anti-seepage designing.Based on seepage failure mechanism of closure earthwork,we analyzed the parameter sensibility of closure earthwork stable by numerical simulation.According to hydrology and topography data of Da-xiao-yushan south embankment project,we calculated the stability of closure earthwork,then proposed the thickness of the blasting crowded silt which may be retained.Results show that rainfall infiltration has a first important impact on stability of closure earthwork.Effective action must be taken to control amount of rainfall infiltration.Land water level and sea water level have a second and the same important impact on stability of closure earthwork.There must be a certain elevation under which the blasting crowded silt is stable as anti-seepage closure earthwork without inverted filter structure.The recommended elevation of retained blasting crowded silt is-3.0 m in Da-xiao-yushan south embankment project.The research results provide theoretical foundation for anti-seepage design of closure earthwork and reduces investment of engineering construction.

blasting compaction;seepage failure;closure earthwork;parameter sensibility;stability

U656.2；U655.4

A

2095-7874（2017）12-0037-05

10.7640/zggwjs201712009

2017-06-02

2017-08-22

劉陽（1985— ），女，江蘇南通人，博士，高級工程師，從事港口工程設(shè)計、科研及滲流分析。E-mail：liuyallen@126.com