人工島固化土臨坡堆載對護坡穩(wěn)定的影響研究

張書紅

中國石油冀東油田分公司，河北唐山 063200

隨著近海石油工業(yè)的勘探開采及經濟的發(fā)展，環(huán)渤海地區(qū)海域相繼建設了多個大型灘海人工島工程。南堡油田現有人工島5座，廣泛分布在軟土地基上。軟土在荷載作用下固結，同時發(fā)生豎向沉降和側向水平位移。受基礎沉降和海洋動力共同作用，人工島防浪墻墻身局部錯位沉降、人工島防護坡扭王字塊下滑移位、人工島與登陸點銜接處不均勻沉降、管道整體沉降傾斜。以上因素均影響人工島的使用和安全，可以通過安全監(jiān)測和預警加以控制[1-6]。

生產運營過程中，鉆井作業(yè)產生大量固化土，受海況和海上交通運輸等因素影響，固化土需在人工島上集中臨時堆放，另外人工島運輸車輛（包括物資運輸） 也需在環(huán)島路上臨時停放。堆放的固化土和停放車輛在島面形成附加堆載，破壞了人工島的穩(wěn)定平衡，導致護坡結構和地基土產生新的變形，增加了護坡整體失穩(wěn)的風險，也對鄰近管道運行形成潛在的安全風險。以上影響均可采用數值方法進行分析[7]。

南堡油田人工島固化土臨時堆載等對護坡穩(wěn)定性影響的評估是人工島新建產能亟待解決的關鍵技術難題。本文以某兩座人工島為例，通過收集、分析其地勘資料及護坡設計資料，得到了所在區(qū)域地基土層的物理力學特性，并采用極限平衡分析法研究了臨時荷載作用下護坡的整體穩(wěn)定特性。

1 工程概況

南堡油田人工島位于河北省灘海地區(qū)，兩座人工島均近似呈橢圓形布置，其長、短軸尺寸分別為495 m×298 m和604 m×416 m。人工島護坡采用袋裝砂斜坡堤結構，島心采用吹填砂充填，人工島水位特征值如表1所示。

表1 人工島水位特征值

2 護坡穩(wěn)定性極限平衡分析

2.1 計算方法

根據GB/T 51015—2014《海堤工程設計規(guī)范》，穩(wěn)定分析采用簡化Bishop法，該方法基本原理為：設土坡的一部分沿著某一滑裂面滑動，在這個滑裂面上，土體處達到極限平衡。Bishop等將土坡安全系數Fs定義為沿整個滑裂面的抗剪強度τf與實際產生的剪應力τ之比，即Fs=τf/τ，其計算簡圖如圖1所示。

圖1 Bishop法計算簡圖

土體安全穩(wěn)定系數計算公式如下：

式中：Fs為土體安全穩(wěn)定系數；φi、Ci為第i個土條底部土體的總抗剪強度指標，其計量單位分別為（°） 和 kPa。

考慮到Bishop法本身存在的理論缺陷（未考慮土條力矩和水平力平衡），本文還采用理論更為完善的Morgenstern-Price法進行整體穩(wěn)定分析。Morgenstern-Price法的基本假設是：條塊間的法向力與剪切力的比值用條間力函數f（x） 與1個待定比例系數λ的乘積表示。根據條塊力與力矩平衡條件，得到其中含有安全系數Fs和比例系數λ這2個未知數的2個平衡方程[8]，其計算簡圖如圖2所示。

圖2 Morgenstern-Price法計算簡圖

其計算的基本公式如下：

根據土條底面切向力的平衡法測，則有：

取土條底面法向力的平衡，則有：

2.2 人工島固化土臨時堆放概況

2.2.1 固化土堆放

通過現場踏勘和測量確定固化土臨時荷載大小和堆放位置。受島上作業(yè)和空間限制，固化土常堆放在島內緊貼環(huán)島路位置，成片堆放。經現場實地測量，已有堆放固化土的最大區(qū)域長87m、寬43m、高10 m。由于目前現場固化土堆放并無嚴格要求，并考慮到通航影響等原因，存在固化土不能及時清運出島的情況。出于工程安全保守的考慮，在本次分析中按立方體堆載計算固化土荷載，固化土堆與環(huán)島路的距離為0 m；車輛停放在環(huán)島路，車輛荷載質量取50 t，從最不利工況考慮，本次計算時假設車輛緊貼護坡停放。固化土臨坡堆放和車輛停放位置見圖3。

圖3 人工島固化土臨坡堆放和車輛停放

2.2.2 臨時荷載確定

固化土臨時荷載的大小不僅與堆放范圍、高度有關，還與固化土的密度密切相關。固化土是鉆孔深部地層土與泥漿的混合物，其密度值缺少參考資料。通過現場取樣，開展室內試驗，采用環(huán)刀法測定其密度，測量不同含水率下試樣的密度見表2。由表2的計算結果可知，2號試樣的密度最大。

再測量2號試樣的含水率，得到其含水率為10.35%。采用抽氣飽和法制備飽和試樣并測量飽和密度，得到其飽和密度為2.14 g/cm3。根據試驗成果，考慮到最不利的荷載作用情況，固化土容重取21.4 kN/m3。

表2 不同含水率下固化土試樣密度

2.3 計算斷面與參數

考慮到該淤泥質粉質黏土層對護坡的整體穩(wěn)定有較大影響，本次計算選取存在淤泥質粉質黏土層的兩個典型斷面進行護坡整體穩(wěn)定計算，斷面一的淤泥質粉質黏土層位于淺層，斷面二的淤泥質粉質黏土層位置相對斷面一較深。計算中吹填砂的天然密度和飽和密度分別為1.72、1.75 g/cm3，內摩擦角為28°，拋石內摩擦角為40°。根據施工階段鉆孔資料和試驗結果，綜合考慮多方面因素后，選擇斷面一計算所用的地層參數見表3，選擇斷面二計算所用的地層參數見表4，圖4為典型斷面計算模型。

表3 斷面一計算的土層參數

表4 斷面二計算的土層參數

3 計算結果

表5為不同水位下的兩個典型斷面固化土與車輛荷載作用下的護坡整體穩(wěn)定計算結果。

（1）斷面一的分析。設計低水位時，臨時荷載作用前護坡整體穩(wěn)定安全系數為1.300。固化土堆載后安全系數有所下降，采用規(guī)范推薦的Bishop法計算，得到安全系數為1.194；考慮到Bishop法本身存在的理論缺陷（未考慮土條力矩和水平力平衡），采用理論更為完善的Morgenstern-Price法進行整體穩(wěn)定分析，得到安全系數為1.198。由兩種計算方法分別計算得到的潛在滑動面基本相同，由于淺表層存在淤泥質粉質黏土層，潛在的滑動面主要從該層通過。在固化土和車輛的臨時聯合作用下，護坡安全系數下降略大，采用Bishop法和Morgenstern-Price法計算得到的安全系數分別為1.185和1.192。

圖4 典型斷面計算模型

表5 護坡整體穩(wěn)定安全系數

極端低水位條件時，臨時荷載作用前護坡整體穩(wěn)定安全系數為1.237。固化土堆載后安全系數有所下降，采用Bishop法和Morgenstern-Price法分別進行計算，所得的安全系數分別為1.180和1.177。在固化土和車輛臨時聯合作用時，采用Bishop法和Morgenstern-Price法計算所得的安全系數分別為1.141和1.138。

對比不同水位的計算結果，可以看出隨著堤外水位的降低，護坡安全系數有所降低。這主要是由于堤外水位的降低會導致堤內浸潤線下降，從而增大了堤身自重荷載，由此導致了安全系數的降低。

（2）斷面二的分析。設計低水位時，臨時荷載作用前護坡整體穩(wěn)定安全系數為1.422。固化土堆載后安全系數有所下降，采用Bishop法計算所得的安全系數為1.247，采用Morgenstern-Price法所得的安全系數為1.261。由這兩種計算方法分別進行計算所得的潛在滑動面基本相同。在固化土和車輛荷載聯合作用時，護坡安全系數下降略大，采用Bishop法和Morgenstern-Price法計算所得的安全系數分別為1.238和1.242。

極端低水位時，臨時荷載作用前護坡整體穩(wěn)定安全系數為1.407，固化土堆載后安全系數有所下降，采用Bishop法和Morgenstern-Price法計算所得的安全系數分別為1.231和1.229。在固化土和車輛荷載聯合作用時，采用Bishop法和Morgenstern-Price法計算所得的安全系數分別為1.219和1.223。

（3）綜合結果。斷面一和斷面二的計算結果表明，在最危險斷面和最不利工況下，護坡整體穩(wěn)定安全系數由1.237下降至1.138，固化土臨時堆載和車輛荷載降低了護坡的整體穩(wěn)定性，增加護坡沉降和水平位移（需要通過三維數值計算分析），但在固化土和車輛臨時荷載作用時，人工島護坡的整體穩(wěn)定性滿足要求。結合現場實測數據，確定固化土堆放范圍應限定在人工島道路外現有區(qū)域，堆放高度應不大于10 m。

固化土堆載和車輛荷載對人工島護坡結構穩(wěn)定的影響研究結果已經納入人工島運行管理，相關成果填補了Q/SY 1354—2015《灘海人工島工程監(jiān)測技術規(guī)范》和Q/SY 18003—2017《灘海人工島構筑物管理規(guī)范》的空白，對其他類似工程有重要的參考作用。

4 結論

（1）采用現場調查、室內試驗、理論分析等方法，調查了人工島固化土堆放和車輛荷載現狀，得出了固化土飽和密度為2.14 g/cm3，分析了土層分布特點及其物理力學指標，確定了固化土堆載和車輛荷載，為數值分析提供了計算參數。

（2） 采用簡化Bishop法和Morgenstern-Price法進行固化土和車輛等臨時荷載作用下的人工島護坡整體穩(wěn)定性分析，建立了計算模型，計算結果表明，在最危險斷面和最不利的工況下，護坡整體穩(wěn)定安全系數由1.237下降至1.138，固化土臨時堆載和車輛荷載降低了護坡的整體穩(wěn)定性，但在固化土和車輛臨時荷載共同作用時，人工島護坡的整體穩(wěn)定性滿足要求。

（3）在極端低水位情況下，固化土堆載和車輛荷載聯合施加，護坡的整體穩(wěn)定系數最??；與車輛荷載比較，固化土堆載對護坡變形和穩(wěn)定性的影響更為顯著。

（4）固化土堆載和車輛荷載降低了護坡的整體穩(wěn)定性，增加了護坡沉降和水平位移，但在固化土堆載和車輛臨時荷載共同作用時，人工島護坡的整體穩(wěn)定性滿足要求。結合現場實測數據，固化土堆放范圍應限定在人工島道路外現有區(qū)域，堆放高度應不大于10 m。

（5）固化土堆載和車輛荷載對人工島護坡結構穩(wěn)定的影響的研究成果已經納入人工島運行管理，相關成果填補了有關規(guī)范的空白，對其他類似工程有很好的參考價值。