深水軟土地基上一種直立式沉箱新型海堤結構分析與探討

盧育芳，田利勇

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市200061）

深水軟土地基上一種直立式沉箱新型海堤結構分析與探討

盧育芳，田利勇

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市200061）

經有效的地基處理，直立式沉箱海堤是一種可適用于深水軟土地基的新型堤型，具有占地少、施工風險少等優點，能有效緩解筑堤砂石資源緊缺問題。從結構型式、穩定性、結構內力及變形分析、施工方法等方面進行探討，并提出有待進一步研究的問題，為直立式沉箱海堤在圍海工程中的應用提供參考。

直立式沉箱海堤；地基處理；堤身穩定結構內力施工方法

0　引言

隨著上海市促淤圈圍工程建設的迅速發展，經過近五十年的圈圍，高灘資源已十分匱乏，圈圍工程已向深水低灘及島式區域發展，其水深、風浪、潮流等建設條件更加復雜，傳統的斜坡式土石堤筑堤技術將越來越不適應圈圍工程建設快速發展形勢的新要求，劣勢也逐漸突顯出來。首先，傳統堤型水下部位受施工條件限制，施工難度大，施工質量較難控制，且存在自身抗風險能力弱，維修費用較高等弊端；其次，傳統堤型斷面大，占地多，其經濟性也隨著灘面的變深而逐漸弱化；最后，塊石和砂土作為一種不可再生資源，不可能被無限制地開采，材料問題將日益突出，一旦面臨無砂石料可開采的危機，傳統斜坡土石堤將難以適應圈圍工程建設需求。因此需進行深水條件作業的新型海堤結構和工藝研究，以解決筑堤難度及材料緊缺問題。本文基于即將實施的本市某工程，提出直立式沉箱海堤新型海堤結構，圍繞其關鍵技術難點，從堤身穩定、地基處理、結構內力和變形分析及施工方法等方面分析探討其在圈圍工程中應用的可行性，為以后工程應用提供技術基礎。

1　新型海堤結構型式

本市某工程擬建海堤順堤部位灘地高程約-6.0 m，海堤最大高度達16.0 m，地基表層軟土厚度普遍達到10～15 m，為典型的深水軟土地基筑堤工程。由于軟土地基天然地基承載力較低，在天然地基上建設直立式海堤一般地基承載力和天然地基沉降量均難以滿足要求，必須進行相應的地基加固處理。

1.1沉箱結構設計

沉箱采用鋼筋混凝土矩形結構，根據各設計工況條件下沉箱自身穩定及整體變形控制將垂直堤身方向底板寬度初擬為18 m。沿堤線方向沉箱分段長度取15.0 m。從便于施工和節省投資出發，依據工程區域的多年平均高潮位初擬沉箱頂高程為4.50 m。沉箱結構底板厚度取700 m m，前、后趾寬均為1 000 m m。沉箱臨水側外壁厚500 m m，其余三側外壁厚取350 m m，中隔墻厚取250 m m。每個沉箱被分隔為12個艙格，沉箱間垂直縫寬50 m m，單個沉箱體重約1532 t。

1.2堤前護灘設計

為防止墻前灘地受波浪淘刷，在堤前采用拋石和混凝土聯鎖塊余排組合護灘，墻前15m范圍拋石厚2.5 m，15～25 m范圍拋石厚1.5 m，25～45 m范圍采用混凝土聯鎖塊余排防護。

1.3堤后拋石棱體和倒濾層設計

為減少堤后土壓力并降低堤后水位，在堤后設減壓拋石棱體，棱體頂高程為4.0 m，頂寬2.0 m，棱體表面設置倒濾層以防堤后土方流失，倒濾層結構設置由里往外分別為二片石層、碎石層和一層無紡土工布。

1.4上部結構設計

沉箱臨水側頂部設置現澆鋼筋混凝土防浪墻。防浪墻底板厚1 500 m m，寬4 750 m m。防浪墻墻身迎水面為圓弧型，墻身厚度600～1 500 m m，墻頂高程為11.0 m。

堤頂寬10 m，布置7m寬防汛道路和1.5 m寬人行步道。堤頂后側采用約1:7緩坡放坡至圍內場地標高，確保海堤防滲路徑長度滿足防滲穩定要求。

1.5地基處理設計

本項目堤身高度超過15 m，沉箱基底最大平均應力接近300 kPa，遠超過基底天然地基承載力，同時由于基底軟土層厚度大，天然地基沉降量也將遠超規范允許值200～250 m m，故需進行地基處理，以滿足地基承載力及變形位移控制要求。

從工程經濟性和施工可行性角度出發，初擬采用PH C管樁地基處理方式。沉箱底板作用范圍采用17 m長管樁，除最前側一排采用1 200 m m B型管樁，其余部位采用1 000 m m B型管樁，采用等邊三角形布置，樁間距為3 m。為減小與墻后吹填土間的不均勻沉降，堤后設置4排1 000 m m B型PH C管樁，其中最靠近沉箱的一排樁長為17 m，其余3排為15 m，打入樁后15 m范圍再設置塑料排水板過渡段。

1.6基床及褥墊層設計

樁基與沉箱底板之間如何進行受力傳遞是該堤型的重點難點問題，由于樁基頂部均位于水下，采用樁基與底板進行剛性連接方案實施難度大，并將增加工程投資，故研究考慮樁基與沉箱底板之間采用設置300 m m碎石褥墊層+1 000 m m厚拋石基床的過渡方式來解決兩者間的受力傳遞問題。

直立式沉箱海堤設計斷面見圖1。

2　穩定性分析

2.1海堤穩定性

直立式沉箱海堤主要承受波浪力、水壓力、土壓力等水平荷載，豎向有揚壓力、自重及上部荷載等。抗滑穩定驗算主要分別計算沿沉箱基底、沿基床底的抗滑穩定性，抗滑穩定可按照《重力式碼頭設計與施工規范》（JTS 167-2-2009）及相關地基設計規范的相關方法計算；海堤整體穩定可按照《海堤工程設計規范》（GBT51015-2014）相關要求計算，此處不再詳細敘述。對圖1所示海堤，經計算，沉箱結構在最不利設計工況下各種穩定安全系數計算值及允許值見表1。從表1可知，海堤滿足穩定要求。

表1　直立式沉箱海堤穩定計算成果表

（2）堤身沉降

堤身沉降采用以M i ndl i n應力計算公式為依據的單向壓縮分層總和法進行基礎最終沉降量的計算。選取正常長期運行工況中較大的地基應力，參照《地基基礎設計規范》（DGJ08-11-2010）7.4.2推薦的公式進行沉降計算，計算得沉箱最大沉降量為233.4 m m，依據《重力式碼頭設計與施工規范》（JTS 167-2-2009）第2.5.9條，沉箱碼頭沉降量不應大于250 m m，故經地基處理后的直立式沉箱海堤沉降控制可滿足要求。

圖1　直立式沉箱海堤斷面圖（單位：mm）

3　結構內力及變形有限元模擬分析

由于沉箱海堤結構較復雜，且需要考慮水土作用，采用常規公式難以分析結構內力與變形，擬采用有限元軟件對其結構內力及變形進行分析。

Pl axi s有限元軟件考慮了土與結構相互作用計算，具有廣泛的求解非線性問題的能力（非線性問題的時間步長能自動劃分）、高效率和高級輔助系統等，因此本次數值模擬采用大型巖土工程專業有限元軟件Pl axi s進行分析。

3.1模型建立

3.1.1土體本構模型選用

目前，巖土有限元分析常用的土體本構模型有：非線性彈性Duncan-Chang模型，彈塑性的M ohr-Coul om b模型［1］、DrukerPrager模型及DrukerPrager+ Cap模型［2］、修正劍橋模型［3］，H S模型、H SS模型等。

H S模型（H ardeni ng Soi lM odel）最先由 Schanz和 Schanz等［4］在 Verm eer的雙硬化模型的基礎上提出。Benz將小應變范圍內土體剪切剛度與應變的非線性關系考慮進 H S模型，提出了H ardeni ng soi l sm al l-st rai n m ode（l簡稱為 H SS模型）。 H SS模型在描述土體剪切硬化、壓縮硬化、加卸載、小應變等方面具有較強優勢，本次模擬分析選用H SS土體本構模型。目前，H SS模型已經內嵌入巖土工程數值分析軟件 Pl axi s，研究采用Pl axi s 2D軟件選用H SS模型進行分析。

3.1.2計算模型

計算模型及網格劃分見圖2。計算模型尺寸為60 m（豎直）×130 m（水平）。模型水平向為X向，豎直向為Y向，且對X邊界施加X向位移約束，Y邊界施加Y向約束。采用等邊三角形15節點單元模擬土體，采用板與樁單元分別模擬沉箱與樁基，沉箱與土之間采用界面單元。計算工況選取正常運用條件平均低潮位工況（墻前潮位1.80 m，墻后地下水位3.50 m）。

圖2　計算模型及網格劃分圖

3.2數值模擬結構分析

3.2.1總體位移變形

直立式沉箱海堤整體沉降變形云圖見圖3，堤后最大沉降約900 m m。由于沉箱后側設置了4排樁基，使得堤身和堤后沉降變形有形成一個漸變過渡區域。底板前址沉降量為198.3 m m，后踵沉降量為169.1 m m，不均勻沉降量為29.2 m m。底板總沉降量及不均勻沉降量均可滿足正常使用要求。

圖3　垂直位移云圖（單位：m）

3.2.2樁基變形及內力分析

樁基位移變形見圖4，樁基水平位移基本呈頂部大，越往下部變形越小的趨勢，樁頂最大水平位移為73.3 m m，發生在底板下方靠后踵第二排樁。

圖4　樁基位移圖（單位：m）

樁基樁身彎矩內力見圖5，第一排樁受墻前被動土壓力作用最為顯著，樁身產生的負彎矩最大，為1 633.5 kNm，小于樁的抗裂彎矩1 668 kN·m，可滿足要求。最后一排樁受墻后吹填土擠壓影響最顯著，樁身產生的正彎矩最大，為708.9 kN·m，小于樁的抗裂彎矩1 003 kN·m，可滿足要求。其余樁基彎矩內力最大出現在第三排樁，最大負彎矩為832.2 kN·m，故均可滿足要求。

4　施工方案

直立式沉箱海堤施工內容主要包括基槽開挖、樁基施工、基床鋪設、沉箱預制、沉箱上駁、沉箱運輸、沉箱安裝、堤前堤后拋石、堤后吹填、上部結構施工等。

圖5　樁基樁身彎矩圖（單位：kN·m）

實施步驟初步安排如下：施工準備（樁基、沉箱預制等）→基槽開挖→樁基及塑料排水板施工→基床拋石與整平→沉箱安裝→沉箱內填土→堤前堤后拋石→堤后反濾層鋪設→圍內吹填、堤頂防浪墻施工→堤身上部回填土。

基槽由抓斗式挖泥船或耙吸式挖泥船進行開挖。

PH C管樁由陸上預制場預制，由預制場碼頭裝駁船運輸至現場，采用海上打樁船沉樁。

基床鋪設所用的石料由駁船運至施工現場，基床拋石與整平可由專業的基床拋石整平船作業（長江口深水航道治理工程和港珠澳大橋島隧工程均采用了相關專業施工設備）。

沉箱結構在預制場進行預制，采用4 000 t級浮船塢（半潛駁）拖到施工區域進行安裝就位。

5　與傳統斜坡式土石堤的比較

為對比分析直立式沉箱海堤與傳統斜坡式土石堤的優缺點，擬從結構特點、筑堤材料、施工工藝、維修養護及工程投資等角度進行對比分析，詳見表2。

根據上述對比分析可知，直立式沉箱海堤在占地、運行維護方面較傳統斜坡式土石堤有一定優勢，且可有效緩解筑堤砂石料緊缺問題，施工機械化、裝配化程度也相對較高，經濟方面旗鼓相當，具備一定的可行性。

6　結語

在深水低灘圈圍中，直立式沉箱海堤與傳統斜坡式土石堤結構相比，主要優點有：堤身占地少；砂石料用量少；沉箱、管樁可以實現“大型化、工廠化、標準化、裝配化”施工，施工風險小；外表面均為鋼筋混凝土結構，抗波浪等沖刷能力強。經濟上優勢盡管不是很明顯，但特別適合于缺少筑堤砂石材料的深水軟土地區的圈圍工程中，在防波堤、碼頭及筑島工程中也有很好的應用前景。

表2　直立式沉箱海堤與斜坡式土石堤對比分析表

直立式沉箱海堤作為在深水軟土地基圈圍中一種全新的圍堤結構型式，主要還存在以下問題：

（1）本文提出的對沉箱直立堤基礎采用復合樁基處理，目前尚未有類似工程經驗可借鑒，對復合樁基礎與上部結構共同作用機理尚需進行進一步研究。

（2）本文對深水軟土地基直立式沉箱海堤的研究還偏于理論方面，該新型海堤結構的內力及變形控制能否達到預期效果還需要實際工程檢驗，建議尋求小型碼頭或者防波堤工程進行專門的試驗，通過在施工及運行過程中的結構變形及內力監測，檢驗理論研究的準確性，并對觀測數據進行反演分析，使計算參數取值進一步合理化，為推廣應用提供實踐經驗和設計依據。

（3）沉箱直立堤的經濟性和可實施性與沉箱結構預制場地的遠近、規模及運輸滿足程度密切相關。

［1］DUNCAN J M，CH ANG C Y.Nonl i near anal ysi s of st ress and st rai n i n soi l［J］.Journal of t he Soi l M echani cs and Foundat i on Di vi si on，1970，96（5）:1629－1653.

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［4］SCH ANZ T，VERM EER P A，BONNIER P G.The H ardeni ng Soi l m odel-f orm ul at i onandveri f i cat i on［C］//Beyond2000i n Com put at i onalGeot echni cs，Am st erdam，Bal kem a:1999:281-296.

TV36

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1009-7716（2016）09-0166-04

2016-04-15

盧育芳（1968-），女，浙江東陽人，副總工程師，高級工程師，從事水利工程設計與咨詢工作。