（水利工程专业论文）天津港十五万吨级深水航道粉土边坡冲刷稳定性研究.pdf

中文摘要 天津港十五万吨级深水航道二期工程拟将航道标高从1 4 8 m 浚深至1 7 4 m 。 开挖后的航道边坡在靠近航道底部处存在有约2 6 3 0 m 厚的粉土层，由该土层 构成的边坡在复杂水动力条件下是否会发生冲刷破坏，是至关重要的问题。验证 边坡的稳定性，寻求合理的开挖边坡坡度，不仅对减少开挖航道的土方量、节省 开支很有价值，而且对今后航道管理和扩建也具有重要意义。 本文首先对航道区的工程地质条件进行分析，总结了边坡粉土的物理力学性 质。计算了航道内受波浪、潮流、行船流( 包括螺旋桨尾流) 等因素作用时航道 底部的水动力条件。 通过模拟实际水流情况进行粉土边坡的冲刷试验。试验模型边坡坡度和现场 坡度相同，并采用实测流速来确定粉土层坡面的稳定性，相当于对原型问题直接 研究，大大减小了因缩尺引起的模型与原型的误差。 介绍了塑性有限元理论和有限元软件p l a x l s ，采用平面应变模型和摩尔 库伦土体本构关系对航道边坡的稳定性进行了模拟计算及分析。在计算过程中， 将波浪荷载引起的动水压力简化为静荷载，用矽c 折减法计算边坡的安全系数。 试验结果表明，粉土边坡坡度对冲刷破坏的影响较小，在各种水动力条件下， 天津港深水航道坡度为1 ：2 、l ：3 和1 ：5 的粉土质边坡均保持稳定，不会产生大面 积冲刷导致失稳。通过有限元模拟，在天津港航道边坡1 ：5 的设计坡度是足够安 全的，最危险滑动面出现在边坡顶层部分。在观察中发现边坡顶部3 m 处坡角非 常缓，这种现象是边坡发生剪切破坏所导致，并非表面冲刷破坏的影响。边坡滑 动破坏仅发生在边坡顶层，并不影响边坡的整体稳定性。 关键词：天津港；航道：p l a x i s ；矽c 折减法 a b s t r a c t t h ee l e v a t i o no f d e e p w a t e rn a v i g a t i o nc h a n n e lo ft i a n j i np o r tw o u l db ed r e d g e d f r o m - 14 8 mt o - 17 4 mi nt h es e c o n dp h a s eo ft h ep r o j e c t t h es i l tl a y e re x i s t sf r o m 2 6 mt o3 0 mi nt h es l o p en e a rt h eb o t t o mo ft h en a v i g a t i o nc h a n n e l w h e t h e rt h e s l o p es u f f e r se r o s i o nd a m a g ei nc o m p l e xh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n si sac r u c i a l p r o b l e m j u d g i n gt h es t a b i l i t yo ft h es l o p ea n df i n dar e a s o n a b l eg r a d i e n ta r ev a l u a b l e i nr e d u c i n ge x c a v a t i o na n ds a v i n g s ，a n da r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c eo nm a n a g e m e n ta n d e x p a n s i o no ft h en a v i g a t i o nc h a n n e l i nt h i sp a p e r , e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o ni sa n a l y z e df i r s t l y a h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs i l ti nt h es l o p ea r es u m m a r i z e d h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s a r ee s t i m a t e dw h e nt h en a v i g a t i o nc h a n n e li sa f f e c t e db yw a v e s ，t i d e sa n ds h i p e r o s i o ne x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tb ys i m u l a t i n ga c t u a lf l o w i n gc o n d i t i o n s t e s t m o d e lh a st h es a m es l o p ea n g l et ot h en a v i g a t i o nc h a n n e ls l o p e t h es l o p es t a b i l i t yi s d e t e r m i n e db a s e do nt h ea c t u a lf l o wv e l o c i t y d o i n ge x p e r i m e n tl i k et h i si se q u i v a l e n t t or e s e a r c h i n gt h ep r o t o t y p ed i r e c t l y , a n dr e d u c e st h ee r r o rg r e a t l yw h i c hi sc a u s e db y r e d u t e ds c a l e p l a s t i cf i n i t ee l e m e n t t h e o r y a n ds o f t w a r ep l a x i sa r ei n t r o d u c e d t h e e l a s t i c - p l a s t i cm o h r - c o u l o m bm o d e la n dp l a n es l r a i nm o d e la r ea d o p t e dt od ot h e a n a l y s i s h y d r o d y n a m i cp r e s s u r ep r o d u c e db yw a v e si ss i m p l i f i e dt oas t a t i cl o a d p h i cr e d u c t i o nm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h es a f e t yf a c t o ro ft h es l o p e t e s tr e s u l t ss h o wt h a ts l o p ea n g l eh a sl i t t l ee f f e c to nt h es t a b i l i t yo ft h es l o p e w h e nt h eg r a d eo fs i d e s l o p e i s1 ：2 ，1 ：3a n d1 ：5 ，t h es l o p ei ss t a b l ei na l l h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s b a s e do nr e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，i ti ss a f ee n o u 曲 f o ra1 ：5s l o p eg r a d i e n t a n dt h em o s td a n g e r o u ss l i ps u r f a c ei sf o u n di nu p p e rp a r to f t h ef i r s tl a y e r t h es o f ts l o p ea n g l eo ft h eu p p e rp a r to ft h ef i r s tl a y e ri si n d u c e db yt h e s l i pf a i l u r eb u tn o tt h es u r f a c ee r o s i o n t h es l i pf a i l u r eo n l yo c c u r si nt h ef i r s tl a y e r , a n dd o e sn o ta f f e c t 血ew h o l es t a b i l i t y k e y w o r d s ：t i a n j i np o r t , n a v i g a t i o nc h a n n e l ，p l a x i s ，p h i - cr e d u c t i o nm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤垄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢军船 签字蹶粉吁 学位论文版权使用授权书 f 明l 乙日 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞苤鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者魏芽磅 签字蹴1 年月f 占日 导师签名： 签字日期：移年彦月，|白 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 天津港概况 第一章绪论 天津港处于京津城市带和环渤海经济圈的交汇点上，是环渤海中与华北、西 北等内陆地区距离最短的港口。作为欧亚大陆桥的桥头堡，天津港距离日本、韩 国的海上运距最短，距中亚、西亚的陆地距离最短，是连接东北亚与中西亚的纽 带，是我国北方重要的对外贸易口岸。 天津港现有水域面积近2 0 0 平方公里，陆域面积4 7 平方公里，规划到2 0 1 0 年港口陆域总面积达1 0 0 平方公里。目前，天津港航道可进出口2 5 万吨级船舶， 水深一1 9 5 m 。天津港对内辐射能力强，对外联系广泛，直接经济腹地包括京津冀 及中西部的1 4 个省、市、自治区，总面积近5 0 0 万平方公里，占全国面积的5 2 。 国际交往广泛，目前已同世界上的1 8 0 多个国家和地区的4 0 0 多个港口有贸易往 来，每月的集装箱航班4 0 0 余班。天津港是我国较大的焦炭出口港之一，第二大 铁矿石进口港，中国北方的集装箱干线港，全国油品大港。 到2 0 1 0 年，天津港将投资3 6 7 亿元，加快码头项目建设，提高港口吞吐能 力。重点建设深水航道、防波堤等项目，完善天津港集疏运体系：发展国际中转、 国际配送、国际采购、国际转口贸易、出口加工等业务。届时天津港将成为设施 先进、功能完善、管理科学、运行高效、文明环保的现代化国际深水港，成为面 向东北亚、辐射中西亚的集装箱枢纽港、散货主干港、保税港区，成为环渤海地 区的综合性港口和世界一流大港，为天津的经济发展、为区域经济的振兴做出更 大贡献。 1 1 2 天津港航道建设 天津港1 9 3 9 年开始兴建，解放后国家对天津港进行了全面修建。1 9 5 2 年主 航道开通，航道底部宽度为6 0 m ，水深为- 6 5 m 。1 9 6 5 年航道加深至7 o m 。1 9 8 4 年航道浚深、拓宽至双向航道，航道底宽为1 5 0 m ，水深为1 1 o m 。为满足第五 代集装箱船运营的要求，1 9 9 8 年对第五代集装箱船靠泊码头以东主航道进行了 浚深至1 2 o m 和拓宽至1 8 0 m 的航道整治。2 0 0 1 年完成了l o 万吨级航道的建设， 航道底宽为2 1 0 m ，水深1 4 8 m 。2 0 0 3 年完成了1 5 万吨级深水航道一期工程， 第一章绪论 航道的宽度达到2 6 0 m 。2 0 0 7 年完成了2 5 万吨级深水航道的建设，航道宽度 3 1 5 m ，水深1 9 5 m 。 天津港15 万吨级深水航道二期工程拟将航道标高从一1 4 8 m 浚深至17 4 m 。 开挖后的航道边坡在靠近航道底部处存在有约2 6 3 0 m 厚的粉土层，由该土层 构成的边坡在复杂荷载条件下是否会发生冲刷破坏，是至关重要的问题。在此之 前的天津港航道疏浚工程中，遇到的土层多是淤泥和淤泥质粘土，粉土边坡尚未 遇及。因此寻求其合理的开挖边坡，验证其稳定性，不仅对减少开挖航道的土方 量，节省开支很有价值，而且对今后航道管理和扩建也具有重要意义。 1 2 航道边坡稳定性研究现状 航道边坡作为一种水下边坡，影响其稳定的因素众多，主要有土的物理力学 性质、现场水文及水流动力学条件等。到目前为止，关于水下边坡稳定性方面的 分析研究与水上边坡相比较少。 t e r z a g h i ( 1 9 5 6 ) 指出水下天然边坡的滑动是由于欠固结的海底沉积物剪切强 度很低，在重力作用下边坡发生剪切破坏。 h e n k e l ( 1 9 7 0 ) i j e 实了波浪力是导致滑坡的因素之一，他假定破坏面是一个圆 弧滑动面，用极限平衡法分析了正弦波浪力所引起的滑坡。 w r i g h ta n dd u n h a m ( 1 9 7 2 ) 采用非线性有限元法计算了波浪作用下边坡的应 力场和位移场。 d w i g h t ( 1 9 7 7 ) 指出土体受动力荷载作用是水下岩土工程和陆上岩土工程的 最主要的区别之一，因此必须考虑循环应力对土体的作用。 r a h m a n ( 1 9 9 1 ) 提出了水下边坡稳定分析的基本元素，将水下边坡在随机框 架下的不稳定性用具体的公式来描述。 j e n g ( 2 0 0 3 ) 将水下边坡的失稳分为剪切破坏、液化和冲刷破坏。 c a n a l s ( 2 0 0 4 ) 等人基于许多工程案例的研究，总结了影响水下边坡失稳的各 种因素，包括高流速、波浪力和其他1 7 种因素。 1 3 本文拟进行的主要工作 通过研究边坡粉土的物理力学性质，考虑航道内受波浪、潮流、行船流及螺 旋桨尾流等动力因素作用，计算航道底部的流速，模拟实际水流情况进行粉土边 坡的冲刷试验，用有限元方法分析边坡稳定性等手段，寻求其合理的开挖边坡， 验证其稳定性。 2 第一章绪论 研究内容包括以下四个方面： i 边坡粉土的物理力学性质； 2 航道底部流速的验算； 3 航道粉土边坡的冲刷破坏试验； 4 边坡稳定的有限元分析。 第二章区域工程地质条件及粉土的物理力学特征 第二章区域工程地质条件及粉土的物理力学特征 2 1 深水航道的工程地质条件 根据天津大学水运水利勘察设计研究所2 0 0 3 年3 月提交的天津港十五万 吨级航道工程地质勘察报告和此次粉土边坡冲刷稳定性试验时试样的物理力学 性质试验结果( 钻孔布置分列于a 、b 、c 、d 、e 五区) ，深水航道的工程地质 条件概括如下： 2 1 1 土层分布与特征 根据土层成因、时代及土层的物理力学性质，分为6 大层，自上而下为： 淤泥层( q 2 4 m ) 近代海相沉积土层，灰褐色，灰黄色及灰黑色，含有机质和少量碎贝壳，土 质均匀，见少量粉砂团。流塑状，含水量在5 5 8 1 ，土层厚度0 4 3 9 m 不等。 部分孔如a 1 2 、a 3 6 、b 2 等因孔距大，从而形成的土层分布厚度差异性大，夹有 淤泥质粘土。 淤泥质粘土( q 2 4 m ) 海相沉积土层，层底标高1 1 3 1 5 6 m ，灰色及灰黄色，含有机质，局部有 较多碎贝壳，土质不均，呈不连续分布。本层土中的粉质粘土或粉土，是因夹砂 层或含砂较多造成，其成因还属海相沉积，并具有软土特征。流塑软塑状态。 粉质粘土层( q 1 4 a 1 ) 陆相沉积土层，层底标高1 3 2 5 一1 9 7 m ，灰色，灰白色及灰黑色，以粉质 粘土为主，夹有粉土与粘土。局部有泥炭夹层，粉质粘土为可塑状，粉土为中密 状态。平均标贯击数2 2 3 - 3 击。里不连续分布。大部分孔层顶部含有多量贝壳。 粘质粉土( q 1 4 a 1 ) 陆相沉积土层，层底标高一1 6 9 - 2 0 4 m ，灰色及黄灰色，以粘质粉土为主， 少量砂质粉土，中密状态，夹有粘土团及粘脉，平均标贯击数1 3 1 4 击。此层土 a 区呈连续分布，b 区呈不连续发布。c 、d 、e 区无此层土。 砂质粉土与粉质粘土( q 1 4 a 1 ) 陆相沉积土层，揭露标高2 4 m ，灰色及灰黄色，以砂质粉土为主，其次为粉 质粘土。局部见粉砂，粉质粘土可塑状，粉土粉砂中密状，平均标贯击数1 2 3 2 1 1 击，呈连续分布。 4 第二章区域工程地质条件及粉土的物理力学特征 粉质粘土层( q e 3 a 1 ) 陆相沉积土层，揭露标高一2 4 m ，自a 2 6 至e 1 5 孔出现。黄褐色，见锈斑， 以粉质粘土为主，其次为粘土与砂质粉土。平均标贯击数2 1 1 2 7 3 击。为可塑 状，呈不连续分布。 2 1 2 土层的物理力学性质指标 各土层的物理力学指标统计结果见表2 1 、2 - 2 ( a 区) ；表2 - 3 、2 _ 4 ( b 区) ； 表2 5 ( c 、d 、e 区) 。 为深入研究试挖段的土层情况，对航道里程1 3 + o 1 5 + 0 土层情况进行分析， 分析结果见表2 - 6 。 为进行冲刷试验，在航道里程1 4 + 0 附近随机钻取土样2 6 0 个，研究了其物 理力学性质。用这些土样切成长方体，在泥盒中拼成1 0 m 2 的试件，用于冲刷试 验。 2 2 粉土的物理力学特征 2 2 1 粉土的分布及物理特征 主航道粉土层主要分布在a 区和b 区，c 、d 、e 区无粉土层存在。a 区 土层较厚，分布连续，b 区较薄，分布不连续。土层平均厚约2 3 m ，个别厚度 大于3 m 。 粉土的颜色多为灰色及黄灰色，物理状态较硬。但不同钻孔标准贯入击数 从l 一5 0 ，可见不同层位性质差别悬殊。 2 2 2 粉土的物理力学性质指标 由试验结果统计，粉土层的物理力学性质指标平均值约为： 天然含水率国= 2 7 ，密度p = 1 9 7 9 e r a 3 ；天然孔隙比e = o 7 5 ：塑性指数 i p = - 8 0 ，液性指数i l = 0 9 ；快剪内摩擦角伊= 2 6 。，粘聚力c 口= ll k p a ；压缩系数 a l _ 2 = 0 2 8 m p a 一，标贯击数n = 1 3 。 2 2 3 粉土的颗粒级配 冲刷试验泥盒中的土样是不均匀的，在水流作用下有的被破坏，有的尚未破 坏，其颗粒级配试验结果如图2 1 、图2 - 2 、图2 3 。其特征粒径及不均匀系数见 第二章区域工程地质条件及粉土的物理力学特征 表2 7 。由图和表可见，颗粒多集中在o 1 o o l m m 之间，原状土中的粘粒含量 大于1 4 。 2 2 4 粉土的结构性 取粉土做无侧限抗压强度试验，知粉土灵敏度约s t - 2 6 。 2 3 粉土层抗冲刷稳定性的评价和冲刷破坏试验依据条件 1 天津港粉土层属全新统，由河床河漫滩相沉积形成的第1 i 陆相层。鉴于粉 土层主要分布在航道a 、b 区段，因此本次冲刷稳定试验的水流动力条件控制在 外航道2 1 + o 以内。 2 从原状粉土颗粒级配曲线可看出粘粒含量较大，因此试验中对粘粒含量对 冲刷稳定的影响应予足够重视。 3 灵敏度试验结果说明扰动后粉土的强度变化不大。 4 尽管不同位置粉土的标贯击数相差较大，但总的看，粉土较密实，较坚硬， 有较高的强度和承载性能，对抵抗冲刷有利。 5 此次试验未考虑地震的影响。 6 第二章区域工程地质条件及粉土的物理力学特征 表2 1 物理力学性质指标统计表( a 区) 天然 密度 天然 抗剪力( 快剪)胜缩试验 序 岩土 含水率孔隙比 塑性指数液性指数 标准贯 号名称 t 0 pbi l 凝聚力内摩擦角压缩模量 e c a 1 2入击数 e s n 6 35 g c m i d ) a 度m p a “m p a 最小值4 21 5 8 1 1 5 1 3 31 0 3 0 o0 7 7o 9 5 0 最大值 7 7 21 8 12 0 6 93 2 12 2 8 7 22 42 9 2o 淤数据个数 6 96 86 86 96 94 84 83 33 34 3 泥 平均值 6 19 61 6 51 6 9 12 3 71 5 53 9 20 2 l1 4 91 8 50 标准筹7 0 4o 0 5 0 1 9 4 3 | 3 30 2 81 1 30 4 60 4 30 4 8 变异系数 0 1 l0 0 30 1 1 50 1 40 1 80 2 82 20 2 90 2 6 最小值 3 5 81 6 90 9 9 71 2 21 0 】7lo 71 4o 最大值5 2 4 1 8 51 4 2 32 29 1 6 71 6 4 1 4 3 3 2 6 淤泥质 数据个数2 92 92 92 52 52 42 4l ol o2 4 粘土 甲均值 4 4 9 71 7 6l - 2 5 11 9 51 2 21 0 2 92 7 91 0 82 1 l3 6 7 标准差4 6 5 0 0 4o 1 1 9 2 ，9 4 o 1 7 2 6 8o 7 8o 2 3o 55 2 9 变异系数o 1o 0 20 0 9 5o 1 5o1 40 2 6o 2 8o 2 20 2 41 “ 最小值 2 8 91 7 50 7 9 21 1 30 7 8l o30 3 32 2 5o 最大值 4 7 71 9 71 3 22 0 91 5 52 21 00 9 95 3 87 粉质 数据个数3 63 53 53 53 53 03 01 91 92 2 粘土 甲均值 3 6 91 8 51 0 2 71 6 0 40 9 91 5 8 14 6 7o 6 13 5 12 3 6 标准芹 5 60 0 6o 1 5 32 60 1 83 5 71 8 8o 20 91 7 9 变异系数o 1 5 o 0 30 1 4 9o 1 60 1 8 o 2 3 o 4 0 3 3 o 2 6 0 7 6 7 第二章区域工程地质条件及粉土的物理力学特征 表2 - 2 物理力学性质指标统计表( a 区) 天然 天然 塑性指数液性指数 抗剪力( 快剪)压缩试验 序 岩土 含水率 密度 孔隙比 凝聚力内摩擦角压缩模量 标准贯 pl pi l a 1 2入击数 号名称 e ce s n 6 35 k p a 度m p a 1m p a 最小值 2 0 71 7 8o 6 2 15 30 6 l71 60 1 34 1 7l 最大值 4 02 0 51 1 3 91 01 4 42 0 3 l0 41 3 1 1 5 0 粘质 数据个数8 46 26 26 66 63 73 72 32 38 9 粉土 平均值 2 7 0 11 9 60 7 7 67 9 80 9 71 1 1 62 5 8 90 2 67 5 21 3 9 9 标准筹 4 0 5o 0 6o 1 1 31 3 3o 1 735 0 40 0 9 2 9 5 9 7 l 变异系数o 1 5o 0 3o 1 4 6o 1 7o 1 80 2 7o 1 9o 3 30 3 90 6 9 最小值 1 9 21 90 5 9 26 20 651 3o 1 34 3 65 最大值 3 6 42 0 41 0 6 31 1 8l2 33 20 4 1 1 2 6 l 5 3 砂质 数据个数8 53 73 7 5 05 0 2 62 61 31 3 9 粉土平均值2 4 71 9 70 7 3 48 10 7 91 6 3 82 2 8 80 2 86 9 52 1 1 标准差 3 7 20 0 7o 1 l1 8 2o 1 25 5 96 6o 0 82 4 8】2 4 6 变异系数0 1 50 0 4o 1 50 2 20 1 50 3 40 2 90 2 90 3 6o 5 9 最小值 1 8 21 9 50 5 6 75 80 1 51 61 0o 1 65 5 l5 最大值 2 7 1 62 0 50 7 8 61 5 30 9 63 02 70 3 31 0 1 46 0 粉质 数据个数 1 3881 1l l885 5 2 2 粘土平均值2 3 2 22 0 10 6 6 91 0 5 40 4 52 0 7 51 8 6 30 2 57 0 32 7 3 2 标准著 3 0 50 0 40 0 7 24 2 40 2 97 9 67 o l0 0 721 8 0 2 变异系数 o 1 3 o 0 2 0 1 0 8 0 4 o 6 5o 3 8 o 3 8o 2 80 2 8 0 6 6 3 第二章区域1 = 程地质条件及粉土的物理力学特征 序 号 表2 3 物理力学性质指标统计表( b 区) 天然天然 抗剪力( 快剪)压缩试验 岩土含水率 密度 孔隙比 塑性指数液性指数 标准贯 obi l 凝聚力内摩擦角压缩模量 a 】2 入击数 名称 t oe coe s g c m k p a度 m p a lm p a n 6 35 最小值 4 9 71 5 51 3 l s1 9 21 1 62oo - 91 3 50 最，：值7 8 51 7 6 2 1 5 52 8 72 2 17 0 2 0 9 2 6 80 淤 数据个数3 33 23 23 33 31 71 71 71 74 0 泥 平均值 6 4 1 21 6 41 7 5 32 3 9 71 5 93 6 5o1 3 82 0 3o 标准差6 7 8 o 0 50 1 8 42 2 9o 2 71 2 70 2 7o 3 2 变异系数0 1 l0 0 3o 1 0 50 io 1 7o 3 50 20 1 6 最小值 3 51 7 40 9 9 51 21 0 75l0 61 8o 最大值 5 1 41 8 81 3 8 42 2 81 7 5l l41 2 l3 _ 3 33 淤泥质 数据个数 77777 66 44 1 5 粘土平均值4 2 1 l1 7 91 1 6 21 6 3 41 3 99 6 72 8 30 ，8 82 40 7 3 标准差 5 4 30 0 60 1 3 94 0 40 2 42 9 40 9 80 8 变异系数 0 1 30 0 3o 1 2o 2 50 1 8o 3 o 3 5 1 0 9 最小值2 8 21 6 60 8 2 6l o 20 8 31 13o 3 31 ，8 3l 最大值 5 0 21 9 51 4 7 92 1 61 6 82 l60 8 557 8l o 耪质 数据个数2 9 2 8 2 82 7 2 71 5 1 5 1 31 3 4 3 粘土 平均值3 8 6 71 8 21 0 7 91 6 5 51 0 61 3 8 73 6o 5 63 6 62 6 5 标准差 59 80 0 6o 1 6 23 4 50 2 53 6 41 0 60 1 51 0 71 6 6 变异系数 0 1 50 0 3o 1 5o 2 l0 2 4o 2 6o 2 9o 2 7o 2 9o 6 3 9 第二章区域丁程地质条件及粉十的物理力学特征 表2 - 4 物理力学性质指标统计表( b 区) 天然天然抗剪力( 快剪) 压缩试验 序 岩土 含水率 密度 孔隙比 塑性指数液性指数 标准贯 pl pl l 凝聚力内摩擦角压缩模量 号名称 0 )e cm a 1 2入击数 e s g e r n k y a度 m p a 。m p a n 6 35 最小值 2 1 4l ，8 90 6 3 36 90 3 2l o2 5o 1 34 14 最大值3 4 42 0 20 9 2 41 31 41 62 90 4 51 3 3 41 9 粘质 数据个数1 71 61 61 51 5l ol o661 3 粉土 平均值 2 6 3 l1 9 70 7 4 19 0 90 9 l1 1 ，72 7 30 2 96 8 81 3 标准差3 50 0 40 0 8 81 5 5 0 2 7 2 0 6 1 1 6o 1 l3 3 74 2 4 变异系数 o 1 3o 0 2o 1 1 9o 1 7o 2 9o 1 80 ，0 40 3 90 4 9o 3 3 最小值1 9 9 1 8 7 0 5 8 7 9 4 0 4 6 81 2o 2 33 2 33 砂质 最大值 3 6 42 0 50 9 8 41 6 51 1 32 33 10 6 67 3 65 3 粉土 数据个数3 02 62 62 82 81 3 1 3 1 61 64 l 与 粉质 平均值2 7 8 71 9 70 7 5 71 2 4 50 7 91 8 3 i1 8 3 lo 3 85 0 91 4 6 l 粘土 标准差 4 2 lo 0 50 0 9 62 2 lo 1 64 7 95 2 5 0 1 l 1 1 51 3 5 2 变异系数o 1 50 0 3 0 1 2 6 0 1 8o 20 2 6 0 2 9 0 2 9 0 2 3 o 9 3 最小值1 9 91 9 20 6 2 56 90 2 81 21 30 1 l3 86 晟大值 2 8 72 0 6o 8 1 51 6 81 12 43 00 4 71 4 8 76 0 粉质 数据个数2 52 22 2 2 2 2 21 4 1 41 11 1 3 5 粘土平均值2 4 3 81 9 90 7 0 51 l ，6 50 6 22 0 5 71 9 8 60 2 96 5 52 4 5 7 标准差 2 3 20 0 30 0 5 62 5o 2 15 2 35 4 50 0 82 8 51 6 5 3 变异系数 0 1o 0 20 0 8o 2 10 3 40 2 50 2 70 2 90 “0 6 7 1 0 第二章区域工程地质条件及粉上的物理力学特征 表2 - 5 物理力学性质指标统计表( c 、d 、e 区) 天然天然 塑性指数液性指数 抗剪力f 快剪)压缩试验 卑岩土 含水辜 密度 孔隙比 凝聚力内摩擦角压缩模量 标准贯 p i p i l a t - 2入击数 号名称 c e s n 6 3 j k p a度 m p a 。l h t d a 最小债5 6 3i 5 61 4 92 1 8i 2 6301 0 41 2 4o 最大值8 1 41 7 22 1 8 62 72 3 85l2 3 92 3 90 淤数据个数 1 8 1 51 5 1 8l s1 1l l 662 0 泥平均值6 9 6 6】6 21 8 6 62 4 5 51 8 43 1 80 0 91 6 5l7 9o 标准蕈7 0 20 0 50 1 8 81 4 40 3 ：0 8 70 30 “0 3 7 变异系数0 1o 0 30 1 0 10 0 6 0 1 7 0 。2 7 3 _ 3 1 0 2 7 0 2 l 最小值3 0 11 70 8 5 41 2 6 0 7 41 1 30 2 9 3 4 41 最凡债 4 3 51 9 41 2 8 61 8 91 8 41 970 5 86 3 96 粉质 数据个数l 二99 1 2 1 266661 6 粘土 平均值3 6 2 21 8 31 0 51 5 1 9 1 0 71 5 54 5 0 船 4 1 毫 2 9 8 标准等 5 1 70 0 80 1 7 71 9 40 3 53 6 71 5 10 11 1 11 8 1 变异系数0 1 40 0 40 1 6 8o 1 30 _ 3 ：o 2 40 3 40 2 20 2 70 6 3 砂质 最0 、值2 1 31 8 ：6 0 56 30 4 41 2 1 1 0 2 330 l1 粉土 最，：值 3 6 32 0 41 0 3 71 5 91 2 72 , 1 -2 80 5 97 6 54 4 与 数据个敬l ii li ：1 12 6 粉质 平均伯2 7 0 31 9 s0 7 7 71 1 8 50 8 12 0 5 51 8 9 l0 3 84 9 7l ! 2 7 标准荤3 5 70 0 60 1 0 l2 7 6 o 2 二 4 1 5 0 3 0 1 1 1 7 9 6 5 粘土 变异系数0 1 30 0 3 0 130 2 30 2 80 20 2 70 2 7o 2 40 7 9 晟小值 2 l1 9 40 6 0 57 40 21 91 60 1 ：5 3 l7 最，、佰2 82 0 50 7 9 l1 7 40 s 62 42 1o 3 31 3 3 85 3 粉质数据个数1 21 01 0 1 21 277 551 3 粘土 平均债2 4 8 61 9 90 7 0 7 1 1 3 90 5 62 1 7 l1 8 5 7o 2 57 7 2 07 7 标准等2 1 ：0 0 40 0 5 92 5 90 2 31 81 8 l1 3 5 ： 变异系数0 0 9o 0 20 0 8 3o 2 30 4 lo 0 8o 1o 6 5 第二章区域工程地质条件及粉土的物理力学特征 表2 - 61 3 + 0 - - 1 5 + 0 土层数据统计表 判别指标挖泥船对疏浚岩石的可挖性 层土层岩土级层底标高 状态标贯击数( n )天然容重k n m 3 ) 耙吸 铰吸 号定名类别别( m ) 个数最大值 最小值平均值个数最大值 最小值平均值3 0 0 0 m 3 0 0 0 m 2 9 4 0 k w 2 9 4 0 k w 淤泥淤泥土类 2 1 0 8 1 3 9很软 2 2 0 0 1 61 7 11 5 8 l ，6 4容易容易容易容易 淤泥质粘土粘士类 3 1 2 i 一1 3 3软 71 061 8 41 6 91 7 6 容易容易容易容易 粉质粘土 粘土类4一1 3 0 1 6 5中等82 606 862 0 01 7 61 8 7较易尚可较易较易 粘质粉土粘t 类5 61 7 6 1 9 9硬2 44 1o1 1 362 0 41 9 52 加固难很难 困难很难 较难很难 较难很难 砂质粉土砂土类91 9 o - 2 4 0中密 2 3 4 8 2 1 9 442 0 21 9 31 9 6尚可较难较难较易较难 粉质粘土牯土类 6 坚硬 1 26 063 6 522 0 51 9 92 0 2 根难很难 困难困难 表2 7 土的颗粒缀配统计 d 6 0d l od s 类别c u ( 1 1 1 1 1 1 ) ( m 1 1 1 ) ( m m ) 原状土 o 0 3 6o 0 0 2o 0 31 8 冲刷试验未破坏土 0 0 4 5o 0 0 2 0 0 4 2 2 5 冲刷破坏士 0 0 5 20 0 1 2o 0 0 54 3 3 目2 1 女月蛐# d 、* t l | 目2 h q # # r # 十h 自自 i 一 ! 藿萋蓁萋萋薹 匡萋薹薹 目2 4 w t # b * 4 # m m 8 第三章天津港航道各种水动力条件的估算 第三章天津港航道各种水动力条件的估算 3 1 海流的影响 3 1 1 海流的分类与流速确定的原则 海流是海洋中主要的动力现象之一，它和其他海洋动力荷载同时作用于各种 水工建筑物上，影响建筑物的强度与稳定，同时，海流是近岸海底泥沙运动的主 要动力因素。海流是由于各种不同类型的海水转移复杂地重叠在一起而综合形成 的。它的速度和方向随着时间、空间的转移而发生不断的变化。 常见的海流包括潮流、风海流，海洋密度流和海洋环流。在引潮力的作用下， 海水水质点在水平方向的周期性流动称为潮流。潮流和潮汐是同一过程中的两种 不同形式，前者为海水质点在引潮力作用下的水平运动，而后者为海水质点的垂 直运动，两者密切相关，因而潮汐变化的许多基本特性( 如日周潮、半日周潮以 及大潮、小潮) 也在潮流现象中表现出来。但是，潮流更易受地形、摩阻以及地 球自转等影响，因而潮流现象更为错综复杂。 由于风在海面上吹过时，对海面产生切应力，使海水产生运动，称为风海流。 风海流是海洋中最常见的一种海流。风作用在宽广的海面上，则表层海水开始沿 着风的方向产生运动。从运动开始的一瞬间，海水便同时受到地转偏向力和下层 静止海水对上层运动海水的摩擦力的作用，当上述两作用力与海面风的切应力达 到平衡以后，在海水中形成海流。风海流的流向常与风向不一致，偏向角随水深 而增大，到某一深度甚至可以与风向相反。但海域水深越小，风海流的方向越与 风向趋于一致。而风海流的流速随水深的增加迅速减小。 由于海水密度不同而造成的海流称为海洋密度流或海洋异重流。含盐度、悬 浮质浓度、以及温度的差异，都可以造成海水密度不均匀，等压面与等势面不相 重合，引起海水运动。由于海水温度、盐度的变化主要体现在表层海水中，所以 海水密度的变化特点也是上层变化大，下层变化小，随着深度的增加密度渐趋均 匀，所以海洋密度流随深度的增加而减弱。 海洋环流也称为洋流，与全球大气循环、气压与信风的分布以及大陆的阻滞 作用密切相关。我国渤海、黄海、东海三海均为位于同一大陆架上的边缘浅海， 其环流系统主要由黑潮分支及我国沿岸流构成。 1 6 第三章天津港航道各种水动力条件的估算 海流是一个矢量，它的方向是指流去的方向，以度为单位，正北为零，顺时 针计量。海流最大可能流速的计算，应尽量根据实测海流，利用统计关系求得。 需要注意的是，在实测海流中包括潮流和非潮流( 称为余流) 两部分。严格地说， 在使用实测资料以前，首先必须进行潮流和余流的分离。假定余流在某一较短的 时间内其方向和速度是一恒定值，而潮流则是周期性变化的，根据上述假定即可 对海流进行分解。但在有潮流的海区，一般说来，余流的速度与潮流相比是微弱 的，且余流流速随深度有一定变化( 具有流速减小的变化趋势，见前述) ，因此 在工程实际中，为简便起见，可以着眼于潮流，近似的认为实测流速即为潮流的 流速。 3 1 2 天津新港的潮流情况 1 潮位 塘沽潮汐类型为不规则半日潮，潮位特征值( 自新港理论最低潮面起算) 如 f ： 最高高潮位： 最低低潮位： 平均海平面： 最大潮差： 平均潮差： 平均高潮潮位： 平均低潮潮位： 2 潮流 5 8 1 m 1 0 8 m 2 5 6 m 4 3 7 m 2 4 3 m 3 7 7 m 1 3 4 m 根据1 9 9 6 年1 2 月2 6 日2 7 日大潮和1 9 9 7 年2 月1 3 1 4 日小潮三条垂线的 实测资料显示( 各站大潮实测最大流速见表3 1 。各测站位置分别为：9 6 0 1 # 位于 航道1 9 + o 南侧，9 6 0 2 # 位于航道2 6 + 0 南侧，9 6 0 3 # 位于大沽口锚地东南角) ，外 航道附近的潮流基本为往复流型，涨潮主流向为n w ，落潮主流向为s e ，涨潮 流速大于落潮流速。各站最大流速大致由表层向底层逐渐减小。 各测站涨潮和落潮最大流速随深度的分布见图3 1 和图3 - 2 。 从图3 1 和图3 - 2 中可以看出，测站水深越深，潮流流速越大。众所周知， 由于受海底摩擦力的影响，潮流有沿垂向逐渐减小的分布趋势。从图3 1 和图3 - 2 中可以明显看出潮流流速随深度增加而减小的这种趋势。但是不同区域，潮流流 速沿深度衰减的趋势是不同的。为了进一步了解天津港海域潮流流速由表向底的 1 7 第i 章天津港航道各种水动力条件的估算 递减规律， 资料分析， 根据1 9 9 6 年1 2 月( 大潮) 和1 9 9 7 年2 月( 小潮) 4 条垂线的实测 得到天津港自然海域潮流衰减过程如表3 2 和表3 _ 3 。 表3 1 大潮实测最大流速 水深流速流向