正交试验法的海堤安全监控范文

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《水利水运工程学报》2014年第三期

1正交试验法

正交试验法是一种高效、快速、经济的试验设计方法，是研究多因素多水平的一种设计方法，根据数理统计学和正交性原理从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，试验次数少，且能反映客观事物的变化规律。

1．1正交试验设计根据正交试验法的原理，主要步骤如下:(1)根据实际情况，选择合适的正交表，记为Ln(rm)，其中L为正交表符号;r为水平个数，即因素状态的个数;n为正交表行数，即安排的计算次数;m为正交表列数，即最多可安排因素的个数。(2)根据所确定的计算方案进行计算，求得正交试验设计方案结果。(3)根据试验结果分析，得出结论。对正交试验结果的分析，通常采用两种方法:一种是直观分析法或称极差分析法;另一种是方差分析法。本文主要采用极差分析法。

1．2极差分析法极差越大说明该因素的水平改变时对试验结果影响就越大，极差最大的因素也就是最主要的因素，极差较小的因素为较次要的因素。

2变形和稳定性分析

本工程为围海造陆工程，规划造陆面积约24km2，其中涉及施工海堤总长度超过15km，海堤采用砂袋围堰结合抛石的复合型结构形式，海堤护底、护脚、护面采用单块质量200～400kg块石，堤心石采用10～400kg开山石，堤身采用堤心砂吹填、砂袋子围堰等形式。海堤是本工程的重要组成部分，其施工质量与安全直接关系到整个工程能否顺利开展，是后续吹填、软基处理的基础，因此海堤施工期安全一直受到建设各方的广泛关注，成为工程建设的重点和焦点之一。

2．1地质条件由于本工程采用围海造陆工艺，表层广泛分布着一层新近吹填土层，根据钻孔揭示，场地地层自上而下分述如下:①吹填土:黄褐色，稍湿～饱和，松散～中密，厚度4．3～10．1m，平均厚度约7．0m，以中细砂充填为主，局部夹粉土薄层及团块。实测击数4．0～29．0击，平均8．0击。①1粉细砂:灰黑色～灰色，稍湿～饱和，松散～中密，含贝壳类碎片较多，实测击数8．0～16．0击，平均11．3击。②层淤泥质黏土:灰色～深灰色，流塑，厚度1．2～8．3m，平均厚度约6．0m，含少量有机质及腐殖质填充有腥臭味，干强度、韧性中等。实测击数1．0～10．0击，平均2．9击。②1层粉质黏土:黄褐色～灰褐色，软塑～硬塑，干强度、韧性高。实测击数7．0～17．0击，平均13．0击。③层中细砂:黄褐色～灰褐色，饱和，松散～中密，厚度1．0～4．5m，平均厚度约2．5m。实测击数4．0～27．0击，平均13．7击。

2．2计算模型及参数数值计算采用PLAXIS软件进行，土体单元本构关系选用Mohr-Coulomb模型，塑料排水板采用Drain单元模拟，计算深度取14．75m，海堤最大填筑高度为8．9m，左、右两侧水平影响范围分别取坡角外27．0和37．0m，海堤的典型断面如图1所示。左、右垂直边界只有竖向位移，均为不透水边界，底边界既无水平位移也无竖向位移，为透水边界。土体物理力学指标如表1所示。

2．3变形分析由于本工程的特殊性，围海造陆面积较大，海堤长度较长，不同位置处的地质条件差异明显，造成不同断面的海堤变形规律也有所不同，在此仅就所选取的海堤断面进行简单分析，计算结果见图2。从图中可以看出:最终计算沉降量为0．78m，最大沉降量发生在袋装砂顶，而现场实测最终沉降量为0．66m，这是因为现场沉降板埋设较晚，实测沉降量中未包括部分前期沉降量，总体上计算值与实测值基本吻合，表明本文数值计算所采用的数学模型和计算参数可行，能够较好反映本海堤在填筑过程中变形特点，为后续正交试验法对比分析提供了基础模型和计算参数。

2．4稳定性分析PLAXIS软件中提供了phi-c折减法进行安全稳定性分析［7］，该方法通过逐步减小土体的内摩擦角和黏聚力，直至结构破坏，以反映土体在加载条件下的安全性状。本海堤经过两级填筑施工，海堤最终安全系数为1．143，略大于《海堤工程设计规范》(SL435－2008)中对三级海堤在非常用运行条件Ⅰ(施工期)情况下的安全系数1．10的要求，且由于海堤施工过程中同时在围区内进行吹填施工，相当于对海堤进行了反压处理，提高了海堤的整体稳定性，海堤基本是安全稳定的，这也被工程实践所验证。图3为完成填筑后海堤的模拟滑移面情况。可以看出:深部滑移面是位于下部软弱夹层(即淤泥质土层)的底部，这与现场实测的测斜管最大水平位移的深度是相互吻合的，这充分说明下部软土层是影响整个海堤稳定的关键所在。

3影响因素分析

影响海堤稳定的因素很多，包括海堤结构型式、地质条件、水位情况、地应力等，这些因素直接或间接地对海堤安全性产生了显著的影响，同时各种影响因素之间还相互交织，使问题相当复杂。影响本海堤稳定的主要土层为下部淤泥质土层，因此将该土层作为影响因素分析的主要对象。为了简化问题，在前人研究成果的基础上，本文将主要影响因素概括为如下几方面:①不饱和重度;②弹性模量;③地下水位;④黏聚力;⑤内摩擦角。

3．1正交试验方案为了便于试验数据处理，确定因素的水平数为4，具体取值情况如表2所示。假设各因素之间无交互作用，对所确定的5种因素选择正交表L16(45)来安排试验，即4水平5因素的正交试验，试验次数为16次，具体试验计划如表3所列。

3．2试验结果分析试验结果如表4所示，本次试验各组安全系数均大于1．10，说明海堤安全稳定，最小安全系数为试验15，该组对应的弹性模量、内摩擦角、黏聚力均为最小，水位也是最低的情况下发生的;最大安全系数为试验13，该组对应的内摩擦角、黏聚力均为最大，地下水位最高的情况下发生的。可见，内摩擦角、黏聚力、地下水位对该海堤的稳定性影响还是比较显著的，而不饱和重度、弹性模量的影响则相对较小。由表5可以看出:对于本海堤工程而言，5种影响因素的影响程度依次为:内摩擦角、地下水位、黏聚力、不饱和重度、弹性模量，其中内摩擦角作用明显强于其它各项影响因素，这一结论与前人的研究成果也有所差异，这也说明不同的海堤、边坡、岸坡工程，各种影响因素在稳定性中所起到的作用也是有所不同的。因此不应盲目套用以往的工程经验，而应针对具体的工程案例进行针对性分析，才能得到更加符合工程实际的结果。

4水平位移速率控制标准

通过正交试验法分析得出本海堤稳定的主要影响因素为内摩擦角。基于最主要影响因素再进行施工安全监控则更具有针对性，也更能准确把握海堤施工期变形特点，所制定的监控控制标准也能更真实反映海堤填筑过程中的变化情况。

4．1安全系数与内摩擦角关系位移总量法是累积值，并不能反映阶段变化情况，在进行安全控制时往往会忽略关键点的控制，对施工安全监控不利，而水平位移速率恰恰是对关键点的控制。基于最主要影响因素(内摩擦角)，不考虑其他影响因素的条件下，在此重点分析水平位移速率与海堤安全系数之间的关系。具体计算结果见表6和图4。从表6可见:最主要影响因素(内摩擦角)对海堤的稳定作用非常明显，内摩擦角从6°提高到10°，其海堤安全系数即可以达到《海堤工程设计规范》(SL435－2008)中最高安全系数标准1．30的要求。从图4可见，当内摩擦角增加到10°以上时，安全系数即基本保持不变，而10°也基本是软土的内摩擦角范畴，这也验证了之前所述的下部软土层是影响整个海堤稳定的关键所在。

4．2安全系数与位移速率关系为了保证施工监控的有效性，将表6计算得到的最大水平位移速率乘以0．7的系数作为不同内摩擦角条件下的水平位移速率值，即可以得到图5所示的安全系数与水平位移速率的关系图，可以看出:当内摩擦角小于10°，水平位移速率大于3．30mm/d，海堤安全系数基本随着水平位移速率的增加呈线性减小的趋势，对海堤的安全稳定非常不利，这一结论与图4结论相对应。基于以上分析，针对本海堤建议采用3．0mm/d的水平位移速率监控控制标准，近1年多的工程实践也表明该标准切实可行，符合本工程实际情况，取得了较好的监控效果，达到了预期目的，保障了海堤施工安全。

5结语

本文利用正交试验法对某海堤安全稳定影响因素进行了分析，并基于最主要影响因素建立了安全系数与水平位移速率之间的关系，最终提出了水平位移速率监控控制标准，主要得到了以下几点结论:(1)不同的海堤工程，各种影响因素在其稳定中所起的作用也有所不同，应针对具体的海堤工程案例进行针对性分析，才能得到更加符合工程实际的结果，不宜盲目套用以往工程经验成果。(2)基于正交试验法确定海堤稳定的最主要影响因素，并以此为基础制定海堤安全监控控制标准的方法切实可行。(3)结合本海堤工程的实际情况，提出了3．0mm/d的水平位移速率监控控制标准，实践表明该标准能够较好反映海堤变形特点，具有较好的工程指导意义。

作者：胡珩董志良单位：中交四航工程研究院有限公司