許 欣，馬 森，杜 磊，張立業(yè)

(1.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032；2.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；3.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；4.河海大學 隧道與地下工程研究所，南京 210098)

拋石防波堤是通過拋填粗細石料的方法修建的一種斜坡式防波堤，由于其對地基承載力要求不高且結構簡單、施工方便，常用于港口防波堤的建設當中，以阻斷波浪的沖擊力[1]、維持港內水面平穩(wěn)。拋石防波堤防護功能的正常發(fā)揮，對于整個港區(qū)的安全性尤為重要。對防波堤沉降量的控制是影響其防護功能正常發(fā)揮的重要因素，目前國內外學者對防波堤沉降的研究主要集中在地基固結變形和堤身沉降監(jiān)測兩個方面[2-5]。占鑫杰等[6]通過采用修正劍橋模型模擬連云港徐圩港區(qū)深層軟黏土，對防波堤施工過程進行了沉降預測計算。葉劍紅等[7]基于有限元法和時間積分法發(fā)展出一款海床固結計算軟件，并依此研究了海床地基在復合防波堤作用下的沉降發(fā)生過程和最終固結狀態(tài)。王偉等[8]基于拋石防波堤拋填施工特點和GPS監(jiān)測技術，提出了一種包括沉降板制作、設備埋設和監(jiān)測指導在內的實時監(jiān)測防波堤沉降變形的新方法。曹永勇等[9]將光電編碼器與原位觀測試驗相結合，提出了一種能對深水防波堤結構沉降進行原位監(jiān)測的自動化測量系統(tǒng)。然而實際工程中，拋石防波堤的沉降量不僅受到地基條件影響[10]，還與設計施工中的扭王字塊噸位、初始水位、堤身高度等因素有關，對拋石防波堤的沉降影響因素進行分析，可以更加有效地指導防波堤設計，控制施工沉降，保證竣工后的防波堤能正常發(fā)揮作用。本文以某防波堤工程為項目依托，結合項目地質勘查和土工試驗資料，通過運用有限元計算軟件建立數(shù)值計算模型，獲取典型橫斷面的沉降量，從設計施工角度分析拋石防波堤沉降對各影響因素的敏感度。該項研究不僅可以解決本工程面臨的沉降控制問題，對類似工程同樣具有重要的指導意義。

1 防波堤工程特性及沉降組成分析

1.1 地基土層特性

某防波堤工程位于廣東省茂名市，堤身由陸側向海域延伸，全長5 423 m，其中包括防波堤內側回填形成陸域的區(qū)段長2 670 m，防波堤內側規(guī)劃布置碼頭的區(qū)段長2 675 m，以及堤頭區(qū)段長78 m。防波堤口門處擬采用沉箱直立堤結構，其他段擬采用斜坡式防波堤結構。

1.2 防波堤結構形式

防波堤按永久性的一般港口水工建筑物工程結構考慮，結構安全等級采用二級，設計使用年限為50 a，根據(jù)防波堤設計方案，堤身采用拋石斜坡堤結構，防波堤斷面如圖1所示。首先通過拋石擠淤方法擠開淤泥，形成拋石層以提高地基承載力，隨著拋石的繼續(xù)填筑，形成堤身主體，然后在主體上方分層鋪填30～50 kg墊層塊石、100～200 kg墊層塊石和30 t扭王字塊體。由于原泥面高程自陸側向海域傾斜，隨著防波堤向深水區(qū)的修建，堤身高度也隨之變化，扭王字塊體的噸位也須隨之調整。

圖1 防波堤斷面示意圖Fig.1 Section diagram of breakwater

1.3 防波堤沉降組成

蔣凱輝和傅英坤等[11-12]將防波堤沉降分為地基初始沉降、地基固結沉降及堤身自密實沉降三個部分，由圖2可知，基于拋石擠淤地基處理方法建造的防波堤地基主要分為拋石層和下臥層，拋石層的厚度即為拋石擠淤處理深度，在該深度范圍內大部分淤泥被拋石擠向兩邊，殘留的淤泥與拋石混合，共同形成拋石層，該過程可視為防波堤地基的初始沉降。而本文以拋石擠淤處理后的防波堤沉降為研究前提，將地基固結沉降劃分為拋石層沉降和下臥層沉降兩個部分，堤身自密實沉降則是隨著施工的進行逐漸增大。因此，本文認為拋石防波堤的沉降主要由堤身自密實沉降、拋石層沉降和下臥層沉降三部分組成。

圖2 地基分層示意圖Fig.2 Schematic diagram of foundation stratification

2 沉降影響因素分析

由于石料拋填工況的復雜性，會有諸多因素對拋石擠淤后防波堤施工中發(fā)生的沉降造成影響。另外，由于強風化巖和全風化巖的地質條件較好，在防波堤沉降影響因素中占比很小，本文不對其進行分析，地質條件中重點分析淤泥混砂層對防波堤沉降的影響。因此選擇扭王字塊噸位、初始水位、堤身高度、淤泥混砂層厚度等作為影響堤身沉降的主要因素，并在下文重點分析各因素對防波堤沉降的影響規(guī)律。

2.1 扭王字塊噸位

扭王字塊體是防波堤工程中常見的預制混凝土異形塊體，由于其制作過程簡單方便，消浪護面作用明顯，扭王字塊體已被廣泛應用于防波堤工程的護面結構中，這相當于在堤身表面施加荷載，必然會對防波堤的沉降造成影響。馮春等[13]研究了防波堤在不同噸位扭王字塊體下的失穩(wěn)模式，發(fā)現(xiàn)了不同噸位下的扭王字塊對防波堤穩(wěn)定性和沉降變形存在一定的影響。

2.2 初始水位

初始水位即設計低水位，也是堤身常年浸潤在水面下的高程位置。趙滄海[14]、趙宇坤[15]的研究結果證明了水位對堤身穩(wěn)定性有著明顯的影響，卻并未深入研究水位變化導致的堤身沉降變化規(guī)律。對于拋石防波堤來說，位于水位線以下的塊石受到水的浮力作用，重度表現(xiàn)為浮重力，水位線以上的塊石仍然保持原重度。因此，初始水位的高低變化會導致堤身重力荷載發(fā)生改變，進而導致地基沉降速率和沉降量發(fā)生變化。

2.3 堤身高度

堤身高度是影響拋石防波堤沉降的重要因素，而現(xiàn)有文獻多研究堤身高度與防波堤穩(wěn)定性的關系，對于堤身高度與沉降關系研究不多。然而，隨著堤身高度的增加，不僅會降低防波堤的穩(wěn)定性，同時會增大基底荷載，直接關系到施工過程中防波堤各部分沉降量。因此，對于堤身高度與防波堤沉降關系研究很有必要。

2.4 淤泥混砂層厚度

淤泥混砂層厚度是影響堤身沉降的直接因素，申永江[16]等用彈塑性有限元法，分析各因素與基礎沉降的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)軟土層厚度對于路基沉降的影響較大，且大于軟土體參數(shù)的影響。本工程在對軟土實行拋石擠淤處理后，地基物理力學特性大幅提升，但是根據(jù)研究文獻及現(xiàn)場鉆孔結果可知，拋石擠淤處理深度存在一定限制，且并不能完全擠開堤底淤泥，殘留淤泥層依然會對堤身沉降造成影響。

3 計算模型建立

3.1 計算方案

為獲得上文選取的影響因素對防波堤各部分沉降的影響規(guī)律，本文基于單因素試驗方法，在選取的典型斷面的基礎上，通過PLAXIS有限元軟件分別研究防波堤沉降對扭王字塊噸位、初始水位高度、堤身高度、淤泥混砂層厚度等因素的敏感性。

根據(jù)計算目的，首先需要確定沉降計算的典型橫斷面。防波堤各斷面沉降為典型的平面應變問題，通過對防波堤堤身結構和地質條件的分析，最終選取防波堤K3+001斷面為典型斷面。該斷面扭王字塊噸位為30 t，堤身高度為21 m，初始水位為3.2 m。在軟基處理完成后，通過S14鉆孔獲得該斷面下臥層為2.46 m的拋石層和2.94 m的淤泥混砂層，基巖為中風化花崗巖。以該斷面各因素水平為基準組，采用控制變量法，設計表1所示的單因素試驗方案。

表1 單因素分析試驗方案Tab.1 Single factor analysis test scheme

3.2 計算模型

計算模型以K3+001典型斷面為基準，根據(jù)該斷面的地質條件及結構設計方案，確定模型中地基長度為180 m，自上而下分別為2.46 m的拋石層和2.94 m的淤泥混砂層，基巖為中風化花崗巖。自原泥面算起堤身高度為21 m，堤坡坡率為1∶1.5。堤身主體上方分別設置兩層墊層塊石及30 t扭王字塊體，因堤身兩側護底塊石下的二片石與塊石過小，為有利于建模計算，將其等效為護底塊石。設置地基模型左右兩邊為水平約束，底邊為固定約束。為獲得防波堤各部分沉降數(shù)據(jù)，在堤身模型上選取10個特征點A-J，特征點布置圖如圖3所示。通過各特征點之間的差值計算即可獲得防波堤各部分的沉降數(shù)據(jù)以及水平位移。

圖3 特征點布置圖Fig.3 Arrangement of feature points

3.3 計算參數(shù)

數(shù)值模型中土體的計算參數(shù)是影響沉降計算精度的決定性因素。淤泥混砂層及巖層物理力學性質可直接由地質勘查資料獲取，而拋石擠淤施工后形成的拋石層，無法直接通過試驗獲得其土性參數(shù)，為能夠真實表達土層的變形特征，本文通過整理歸納不同拋石擠淤工程中拋石層參數(shù)資料，繪制參數(shù)概率分布圖，選取最常見的拋石層參數(shù)。

以拋石層飽和重度為例，查閱文獻后發(fā)現(xiàn)，拋石層飽和重度在21.5～24 kN/m3，根據(jù)各飽和重度值及出現(xiàn)頻數(shù)繪制成拋石層飽和重度概率分布圖(圖4)。從圖4看出飽和重度22.5 kN/m3出現(xiàn)頻數(shù)最高，因此本文拋石層飽和重度取22.5 kN/m3。其他參數(shù)同理可得，結合地質勘探，各土層計算參數(shù)如表2所示。

圖4 拋石層飽和重度概率分布圖Fig.4 Probability distribution of saturation severity of riprap layer

表2 各土層有限元計算參數(shù)Tab.2 Finite element calculation parameters of each soil layer

4 影響因素敏感度分析

在防波堤施工過程中，針對眾多的沉降影響因素，要研究其主次關系以提出減小防波堤沉降的措施，首先要對其進行敏感度分析，以便確定各種影響因素對防波堤沉降變化趨勢的影響程度，從而找到各影響因素對防波堤各部分沉降的敏感程度。本文以總結出的扭王字塊噸位、初始水位、堤身高度、淤泥混砂層厚度等作為影響堤身沉降的主要因素，采用單因素敏感度分析方法，以K3+001典型斷面為基本計算模型，按表1所示計算方案進行單因素模擬試驗，以研究不同影響因素對防波堤各部分沉降的敏感度。

4.1 扭王字塊噸位的敏感度分析

以K3+001斷面模型為基礎，選取扭王字塊噸位變化范圍分別為3～30 t，按表1所示計算方案，分別計算防波堤各部分沉降量及敏感度，為便于分析，現(xiàn)將結果繪于圖5、圖6。

圖5 扭王字塊噸位-防波堤各部分沉降曲線 圖6 扭王字塊噸位敏感度曲線Fig.5 Settlement curve of each part of the Accordpod tonnage-breakwater Fig.6 Sensitivity curve of the Accordpod tonnage

由圖5可看出，防波堤自密實沉降、拋石層沉降及下臥層沉降皆隨扭王字塊噸位的增加呈現(xiàn)出正相關變化。扭王字塊噸位由3 t增至30 t時，堤身自密實沉降由0.132 m變?yōu)?.168 m，增加了27.3%；拋石層沉降由0.123 m變?yōu)?.140 m，增加了13.8%；下臥層沉降由0.209 m變?yōu)?.239 m，增加了14.4%。由圖5沉降變化曲線可知，下臥層沉降量最大，且沉降量隨扭王字塊噸位變化速率最大。自密實與拋石層沉降量隨扭王字塊噸位的變化速率較為接近，但自密實沉降量略高于拋石層沉降量。

由圖6可看出，隨著扭王字塊噸位的增加，堤身自密實沉降、拋石層和下臥層沉降對于堤身高度的敏感度也隨之增大。防波堤各部分沉降中，拋石層和下臥層沉降對扭王字塊噸位的敏感度較為接近，堤身自密實沉降對扭王字塊噸位的敏感度高于其余兩者，且在扭王字塊噸位為25 t時，敏感度達到最大值28%，在堤身高度為3 t時，敏感度達到最小值2.4%?？傮w來看，堤身自密實沉降對于扭王字塊噸位的敏感度較為突出，拋石層和下臥層沉降對于扭王字塊噸位的敏感度相差不大。

4.2 初始水位的敏感度分析

以K3+001斷面模型為基礎，保持堤身高度為21 m，扭王字塊噸位為30 t，淤泥混砂層厚度為2.44 m，使水位高度分別為3.2 m、2.4 m、1.6 m、0.8 m、0 m，計算堤身各部分沉降量及敏感度，將結果繪于圖7、圖8所示。

圖7 初始水位-自密實沉降曲線 圖8 初始水位敏感度曲線Fig.7 Initial water-self compacting subsidence curve Fig.8 Sensitivity curve of initial water level

由圖7可看出，防波堤自密實沉降、拋石層沉降及下臥層沉降皆與初始水位高度成反比。當初始水位由0 m增至3.2 m時，堤身自密實沉降由0.196 m變?yōu)?.174 m，減少13.3%；拋石層沉降由0.165 m變?yōu)?.140 m，減少13.3%；下臥層沉降由0.297 m變?yōu)?.239 m，減少19.53%。由此可見下臥層沉降隨初始水位高度的變化速率及變化量皆大于自密實沉降及拋石層沉降，總體上看，初始水位越高，防波堤沉降量越小。

由圖8可看出，堤身自密實沉降對初始水位的敏感度與初始水位高度成負相關，在初始水位為0 m時，敏感度系數(shù)達到最大值29%。而拋石層沉降及下臥層沉降對于初始水位的敏感度與初始水位成正相關，在初始水位為0 m時，兩者的敏感度分別為34%及40%，當初始水位增至2.4 m時，敏感度系數(shù)達到最大值，兩者分別為45%及97%。由此證明初始水位是影響拋石防波堤下臥層沉降的一個重要因素，且初始水位越高，下臥層沉降對其的敏感度系數(shù)越大。

4.3 堤身高度的敏感度分析

以K3+001斷面模型為基礎，堤身初始高度為21 m，變化范圍為21～25 m，分別計算防波堤各部分沉降量及敏感度，為便于分析，現(xiàn)將結果繪于圖9、圖10。

圖9 堤身高度-防波堤各部分沉降曲線 圖10 堤身高度敏感度曲線Fig.9 Height of levee-settlement curve of each part of breakwater Fig.10 Highly sensitive curve of embankment body

由圖9可看出，防波堤自密實沉降、拋石層沉降及下臥層沉降皆隨堤身高度的增加呈現(xiàn)出正相關變化。堤身高度由21 m增至25 m時，堤身自密實沉降由0.139 m變?yōu)?.175 m，增加了25.9%；拋石層沉降由0.142 m變?yōu)?.196 m，增加了38.0%；下臥層沉降由0.242 m變?yōu)?.255 m，增加了5.4%。由圖9沉降變化曲線可知，下臥層產生沉降量最大，同時沉降量隨堤身高度的變化速率最小。自密實與拋石層的初始沉降量接近，但拋石層沉降量隨堤身高度的變化速率更大，趨勢更明顯。

由圖10可看出，隨著堤身高度的增加，堤身自密實沉降與拋石層沉降對于堤身高度的敏感度也隨之增大，下臥層沉降對堤身高度的敏感度先增大后減小，于堤身高度為24 m時達到最大，敏感度系數(shù)為68%。防波堤各部分沉降中，拋石層和下臥層沉降對堤身高度的敏感度較為接近，堤身自密實沉降對堤身高度的敏感度明顯高于其余兩者，且在堤身高度為25 m時，敏感度達到最大值150%，在堤身高度為22 m時，敏感度達到最小值100%。總體來看，堤身自密實沉降對于堤身高度的敏感度最為突出，可見堤身高度是影響拋石防波堤堤身自密實沉降非常重要的因素。

綜合圖9和圖10，拋石層隨堤身高度的變化所產生的沉降差異最大，自密實沉降對堤身高度的變化最為敏感，而堤身高度變化對下臥層沉降不產生明顯的作用。因此下臥層對堤身高度敏感度曲線在達到極值后，趨勢趨于平緩，與之前基本保持一致，不會產生急劇下降現(xiàn)象。

4.4 淤泥混砂層厚度的敏感度分析

當淤泥混砂層厚度不斷變化時，模型計算結果顯示堤身自密實沉降量保持穩(wěn)定，證明淤泥混砂層厚度的變化對于其上的防波堤堤身自密實沉降并無明顯影響。為了重點分析拋石層、下臥層沉降對淤泥混砂層厚度的敏感度，現(xiàn)以2.44 m為淤泥混砂層初始厚度，按表1所示計算方案，獲得拋石層及下臥層沉降量和敏感度的結果如圖11、圖12所示。

圖11 淤泥混砂厚度-防波堤各部分沉降曲線 圖12 淤泥混砂層厚度敏感度曲線Fig.11 Silt and sand thickness-settlement curve of each part of breakwater Fig.12 Sensitivity curve of silt and sand layer thickness

由圖11可看出，拋石層及下臥層沉降量皆隨淤泥混砂層厚度的增加呈現(xiàn)出正相關變化。當淤泥混砂層厚度由1.44 m增至5.44 m時，拋石層沉降由0.200 m變?yōu)?.310 m，增加了55.0%；下臥層沉降由0.188 m變?yōu)?.419 m，增加了122.9%?？傮w上看，拋石層及下臥層沉降量的變化趨勢相同，皆由陡峭趨于平穩(wěn)，其中前者的沉降量及沉降速率明顯大于后者。

由圖12可看出，拋石層沉降對于淤泥混砂層厚度的敏感度隨著淤泥混砂層厚度的增加，敏感度先增加后減小，其后又稍有波動，當淤泥混砂層厚度為3.5 m時，拋石層沉降對淤泥混砂層厚度的敏感度系數(shù)最大為105%?？傮w來看，當淤泥混砂層厚度小于3.5m時，拋石層沉降量對于堤身高度的敏感度呈上升趨勢，而當淤泥混砂層厚度大于3.5 m時，敏感度呈下降趨勢。下臥層沉降對于淤泥混砂層厚度的敏感度隨著淤泥混砂層厚度的增加，在淤泥混砂層厚度為2.44 m和3.44 m時，分別產生兩個波峰，此時下臥層沉降的敏感度系數(shù)最大?？傮w來看，下臥層沉降對于淤泥混砂層厚度的敏感度呈現(xiàn)下降趨勢。

4.5 各因素敏感度分析

上文分別分析了拋石防波堤各部分沉降對各影響因素變化的敏感度，本節(jié)針對各因素對拋石防波堤各部分沉降影響大小，綜合分析幾個影響因素的沉降敏感度。為便于分析，將各個影響因素變化時，敏感度E的最大值、最小值、平均值進行統(tǒng)計，結果見表3～表5。

表3 自密實沉降影響因素敏感度分析統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of sensitivity analysis of influencing factors of self-compacting settlement

表4 拋石層沉降各影響因素敏感度分析統(tǒng)計表Tab.4 Sensitivity analysis statistical table of each influencing factor of riprap subsidence

表5 下臥層沉降各影響因素敏感度分析統(tǒng)計表Tab.5 Sensitivity analysis and statistical table of influencing factors of settlement of substratum

由上文可知變化淤泥混砂層厚度，對拋石層堤身自密實沉降沒有影響。由表3可以看出，扭王字塊噸位和初始水位對堤身自密實沉降影響程度相對較小，而堤身高度對堤身自密實沉降影響程度就明顯較大，敏感度系數(shù)的平均值為125%。因此，對堤身自密實沉降影響比較大的是堤身高度，其次是初始水位和扭王字塊噸位。

由表4可以看出：和堤身自密實沉降類似，扭王字塊噸位和初始水位對拋石層沉降影響較??；堤身高度和淤泥混砂層厚度對拋石層沉降影響較大。因此，對拋石層沉降影響比較大的是堤身高度和淤泥混砂層厚度，其次是初始水位和扭王字塊噸位。初始水位和堤身高度越大，拋石層沉降敏感度越大。

由表5可以看出：扭王字塊噸位和初始水位對下臥層沉降影響較?。坏躺砀叨群陀倌嗷焐皩雍穸葘ο屡P層沉降影響較大。堤身高度和淤泥混砂層厚度對下臥層沉降敏感度相差不大。因此，對下臥層沉降影響比較大的是淤泥混砂層厚度和堤身高度，其次是初始水位和扭王字塊噸位。

5 沉降計算結果與監(jiān)測結果對比分析

通過將數(shù)值模擬的結果與防波堤現(xiàn)場施工中沉降監(jiān)測結果進行對比，可以驗證計算結果的可靠性。匯總沉降計算結果與沉降監(jiān)測結果對比如圖13所示。

圖13 計算與監(jiān)測沉降量對比圖Fig.13 Comparison between calculated settlement and monitored settlement

從圖13中可以看出，沉降板埋設后防波堤先后進行了剩余堤心石拋填、護面、護腳、墊層塊石的安裝、扭王字塊體安裝等工序，每道工序都對拋石體產生了新的加載，在沉降曲線上表現(xiàn)為加速沉降，使得沉降曲線總體呈階梯狀，最終沉降穩(wěn)定在0.546 m。因此，沉降主要發(fā)生在施工階段，而施工完成后的沉降相對較小。

為更直觀地將斷面沉降預測值與實測值進行比對，基于上述防波堤典型斷面PLAXIS計算結果，對總體沉降量匯總整合，各施工階段的地表沉降量如表6所示。

表6 各施工階段的地表沉降量Tab.6 Surface settlement at each construction stage

由此可將實測值與計算結果做如下對比：防波堤總沉降量實測值為0.546 m，數(shù)值計算結果為0.508 m，相差了7.0%，達到沉降穩(wěn)定的時間比實測值短。水位以下堤心石拋填后累計沉降量實測值為0.325 m，數(shù)值計算值為0.298 m，相差了8.3%，剩余堤心石拋填及護腳、護面、墊層塊石拋填后累計沉降量實測值為0.432 m，數(shù)值計算結果為0.401 m，相差了7.2%，扭王字塊加載完成后累計沉降量為0.546 m，數(shù)值計算結果為0.508 m。

由表6可以看出，PLAXIS計算結果與沉降監(jiān)測結果基本一致。沉降計算結果與監(jiān)測結果相差在5 cm以內，相差比例在10%以內，可認為兩者基本一致，證明斷面沉降計算結果是準確的。

6 結論

本文以某港口防波堤典型斷面為依托，從設計施工角度分析了扭王字塊噸位、初始水位、堤身高度、淤泥混砂層厚度等因素對防波堤沉降結果的影響，得到如下結論：

(1)通過分析防波堤水文地質條件，結合擬定設計施工過程，確定了影響防波堤沉降的主要因素為扭王字塊噸位、初始水位、堤身高度、淤泥混砂層厚度。

(2)在施工過程中，拋石防波堤的沉降主要由堤身自密實沉降、拋石層沉降和下臥層沉降三部分組成，沉降發(fā)生時間主要集中在各施工階段，工后沉降較小。

(3)拋石防波堤的堤身自密實沉降與扭王字塊噸位、堤身高度成正相關，與初始水位成負相關，而淤泥混砂層厚度對于堤身自密實沉降沒有實際影響。且堤身自密實沉降對于堤身高度的敏感度明顯大于其他因素，其次是初始水位和扭王字塊噸位。

(4)拋石防波堤的拋石層沉降與扭王字塊噸位、堤身高度、淤泥混砂層厚度成正相關，與初始水位成負相關。同時，拋石層沉降對于堤身高度、水位高度及淤泥混砂層厚度的敏感度相差不大，對扭王字塊噸位的敏感度最小。

(5)拋石防波堤的下臥層沉降與扭王字塊噸位、堤身高度、淤泥混砂層厚度成正相關，與初始水位成負相關。下臥層沉降對于淤泥混砂層厚度敏感度最大，其次為堤身高度與初始水位，對扭王字塊噸位敏感度最小。