某海堤與水閘連接段粉砂質地基處理方式研究

劉建飛 任紅俠

摘要：海堤與水閘的地基處理方式及上部荷栽差異顯著，兩者極易產生不均勻沉降，嚴重影響其自身安全及減災效益的充分發揮，急需研究預防措施。在對浙江東部海堤和水閘進行現場調研和現狀分析后，選取粉砂質地基上的典型海堤和水閘，利用數值模擬軟件FLAC3D，計算海堤與水閘連接段采用3種不同地基處理方式后海堤、水閘及其連接段的沉降值及其沉降差。經過進一步比較和分析后發現，海堤與水閘連接段粉砂質地基處理時，水閘相連端與水閘地基處理方式相同，海堤相連端與海堤地基處理方式相同，中間段地基沿連接段長度方向從水閘地基處理方式漸變為海堤地基處理方式，可實現地基承載力和剛度的漸進變化，減小海堤與水閘之間的不均勻沉降。

關鍵詞：粉砂質地基;海堤與水閘連接段;地基處理;數值模擬;不均勻沉降

中圖分類號：TV871

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.029

1 引言

浙江東部（以下簡稱“浙東”）沿海上虞到慈溪北部廣泛分布著粉砂土。粉砂土是工程建設時經常遇到的一種土，由于粉砂土地基處理的效果直接影響其上建筑物的安全，因此工程技術人員對粉砂土地基加固處理問題進行了一系列探討。俞偉[1]針對某擬建水閘，利用有限元法模擬分析其地基加固方案，為設計提供參考;王濤等[2]利用ABAQUS軟件計算某水閘地基采用振沖碎石樁加固處理前后的沉降值，分析粉砂土地基的沉降規律;余錦地等[3-4]研究發現采用無填料振沖擠密法分別處理典型閘站和海堤粉砂土地基能顯著增加其密實度和承載力，減小因地基密實度不足而導致的沉降，效果較為理想，達到了設計要求。工程技術人員對粉砂土地基上修建的單一建筑物不均勻沉降研究較多，也取得了預期的效果，但有關相鄰建筑物之間不均勻沉降的研究相對較少，尤其是海堤和水閘，通常采用不同的地基處理方式，且上部荷載差異較大，普遍會產生不均勻沉降。這一問題與公路和橋梁之間產生的不均勻沉降相似，工程技術人員經過大量研究和實踐后提出采取泡沫輕質土[5-6]、泡沫混凝土[7]、樁承式加筋路堤與路堤填土加筋技術[8-10]等處理橋梁臺背過渡段，公路和橋梁之間設置過渡搭板[11]以及變化樁長的樁體處理公路和橋梁過渡段地基[12-15]等預防措施，可供借鑒。

公路和橋梁之間產生的不均勻沉降與海堤和水閘（以下簡稱“堤閘”）之間產生的不均勻沉降，成因是相同的，但由于后者往往地質條件更差，處理難度更大，產生不均勻沉降后的危害更大，因此對其預防措施的要求更高[16]。

通過多年的調查與研究，我們發現這種不均勻沉降進一步發展會導致堤閘連接段發生裂縫和漏水險情，嚴重時會導致其上建筑物失穩，危及海堤、水閘自身安全及其防御風暴潮作用的充分發揮。目前這一問題還處于初步研究階段，且主要針對淤泥質地基上修建的海堤和水閘，其解決思路是在堤閘結合處設置過渡段（即連接段）.在連接段采取有針對性的地基加固方式、優化海堤斷面型式、選用部分輕質筑堤材料代替土石料[17]以及合理的堤閘連接方式等措施[17-18]，有關粉砂質地基上修建的海堤和水閘研究較少。

前期研究已發現堤閘連接段地基加固方式是影響其不均勻沉降的主要因素[19]。筆者以典型粉砂質地基上的海堤、水閘及其連接段為研究對象，結合海堤、水閘及其連接段的結構特點，通過典型工程地質條件分析和地層等效與概化，利用FLAC3D軟件構建數值模擬模型，分別模擬了3種堤閘連接段地基加固方式，計算對應的水閘、海堤和連接段在工后10 a內的沉降值及其沉降差。對計算成果進行比較分析，選擇粉砂質地基上堤閘連接段最理想的地基加固方式，探討減小其差異沉降的途徑。

因為堤閘連接段地基承載力和剛度的突變是產生不均勻沉降的主要原因，所以提出堤閘連接段采用變剛度地基處理技術。該技術可以解決堤閘連接段變形協調問題，實現水閘一連接段一海堤之間地基承載力和剛度的漸進變化，為新建或改建堤閘連接段提供技術指導，避免堤閘連接段發生嚴重的不均勻沉降及由此導致的災害。

2 工程概況

浙江省寧波市某圍涂工程包括兩段總長29? 164 m的圍堤和4座排澇閘，圍區總面積為7 080 hm2。該工程為Ⅲ等工程，海堤及沿線水閘為3級建筑物，防潮標準都是50 a一遇設計、100 a一遇校核。筆者以其中一段海堤、一座水閘及其連接段為研究對象，該水閘為中型水閘，設計過閘流量為280 m3/s，7孔x4 m.閘室順水流方向長15.7 m.交通橋面高程為6.63 m。

工程區所處的大地構造單元為華南褶皺系，浙東南褶皺帶的新昌一定海斷隆區。浙江東部的華夏系構造是該區古構造的重要基礎，構成了該區的主要構造格架[20]。該區附近的斷裂主要有麗水一余姚深斷裂和昌化一普陀大斷裂。從構造活動性和地震活動性分析，該區的區域穩定性屬于穩定。根據《中國地震動參數區劃圖》（ GB 18306-2015），其地震動峰值加速度為0.05g，基本烈度為Ⅵ度。在海涂中地層巖性屬海相或沖海相沉積，由黃灰或灰色淤泥質粉質黏土、砂質粉土、淤泥質黏土、黏土等組成，其表層被第四系松散堆積物所覆蓋。

該工程地質條件比較典型，其地基土層可分為3個地質層、9個亞層，如圖1所示，自上而下各土層分述如下：I層淤泥質粉質黏土，灰色，飽和，流塑狀，全區分布，層厚0.1- 1.5 m;Ⅱ。層砂質粉土，黃灰色，飽和，稍密一中密狀，含云母碎片及少量有機質，局部為黏質粉土，全區分布，層厚1.0-4.2 m;Ⅱ，層砂質粉土，黃灰色，飽和，中密狀為主，含云母碎片，全區分布，層厚2.9 - 11.5 m;Ⅱ，層砂質粉土，灰色或灰綠色，飽和，稍密一中密狀，含云母碎片，土質不均勻，局部為黏質粉土，全區均有分布，層厚3.2 - 7.6 m;Ⅱ，層淤泥質粉質黏土夾粉砂，灰色，飽和，軟塑狀，土質均勻，工程區均有分布，層厚0.5 -7.5 m;Ⅲ.層淤泥質粉質黏土，灰色，飽和，流塑狀，厚層狀，土質不均，局部夾有薄層狀粉土，全區分布，層厚1.0 - 12.7 m;Ⅲ：層淤泥質黏土，灰色，飽和，流塑狀，厚層狀，全區分布，土質不均，層厚1.0-13.0 m;Ⅲ，層淤泥質粉質黏土，灰色，飽和，流塑狀，全區分布，土質不均，層厚1.4 - 12.3 m;Ⅲ。層淤泥質黏土，灰色，飽和，流塑狀，厚層狀，全區分布，層厚1.6 - 11.9 m。

該工程水閘地基加固方式為開挖至符合設計要求的持力層再壓實回填至設計標高，上下游翼墻為鋼筋混凝土扶臂式擋墻，翼墻地基采用中徑0.16 m的松木樁加固，樁間距1.0 m，樁長4.0 m，梅花形布置;海堤地基采用雙向土工格柵、編織布及石渣墊層加固，連接段地基加固方式與海堤地基相同。工程建成5a后，連接段與水閘的沉降差達387.5 mm.連接段出現兩條裂縫，總長18.0 m，裂縫最大深度550 mm，平均深度320mm，裂縫最大寬度15 mm.平均寬度12 mm，下游右岸翼墻與水閘連接處有滲水。初步分析是堤閘連接段不均勻沉降導致水閘側向防滲系統破壞所致，說明堤閘連接段地基加固處理效果不理想。為避免出現類似情況，筆者重點研究堤閘連接段地基加固方式對其不均勻沉降的影響。為便于對比，堤閘連接段地基分別采用與海堤地基相同加固方式（工況1）、與水閘地基相同加固方式（工況2）、從水閘地基加固方式漸變為海堤地基加固方式（工況3：開挖后再壓實回填至海涂面，即開挖堤閘連接段地基時，與水閘連接部位的開挖深度同水閘地基開挖深度一樣，與海堤連接部位可不開挖，中間部分開挖深度沿連接段長度方向按比例逐漸減小）等3種方式。

3 計算分析模型

3.1 建立模型

將浙東粉砂質地基上典型的海堤、水閘及其連接段作為研究對象，根據實際工程地質勘察資料，確定地基的地層及其厚度，進行相應的網格劃分，輸入土體參數及其他相關土力學參數，包括黏聚力、內摩擦角、滲透系數、密度等。針對海堤、水閘及其連接段的結構特點以及連接段3種不同的地基加固方式，利用FLAC3D軟件，建立與工程實體尺寸完全相同的海堤、水閘及其連接段的數值模擬計算分析模型。在地基受力面逐級施加荷載，然后向模型施加邊界條件。計算和分析堤閘連接段地基采用3種不同方式加固后，海堤、水閘及其連接段的工后沉降值及其沉降差、不均勻沉降與建成時間的關系。

根據典型工程堤閘處海堤橫斷面圖（如圖2所示）、水閘設計圖（如圖3、圖4所示）和工程地質資料，部分簡化處理后建立模型，其幾何尺寸為：寬68.0 m（X方向，海堤橫斷面方向），長38.0 m（Y，方向，海堤縱斷面方向），高46.3 - 55.0 m（Z方向，沿海堤高度方向），水閘處海堤頂高程為6.63 m，計算地基厚度為40.0 m，共9層，涵蓋了海堤以下可能的壓縮層。海堤長5.0 m，連接段長15.0 m，水閘寬18.0 m（取一半）。

在施工過程模擬和完工后模擬時.3種工況均設置了4個相同的沉降監測點，其坐標分別為：海堤沉降監測點（ 24. 50，4.00，6.30），連接段沉降監測點1（ 24.50，7.00，6.30），連接段沉降監測點2（24. 50，18.00，6.30），水閘沉降監測點（24.50，21.00，6.30），監測點位置如圖5所示。

3.2 計算參數

模型計算所需的地基土層參數見表1，所用材料的物理參數見表2。

3.3 模擬原理和步驟

在施工期及完工后，海堤和水閘的地基都會發生固結沉降。地基土體固結是一個長期的流體和固體相互作用的過程，應該考慮兩種力學效應，一是孔隙水壓力的改變導致有效應力的改變，從而影響地基土體的力學性能，如有效應力的減小可能導致土體出現塑性屈服;二是土體中流體的變化會對土體體積變化產生反作用，表現為流體孔壓的變化，即后期沉降需要考慮流固耦合效應，基于Biot固結理論進行流固耦合過程模擬[16]。

運用摩爾一庫侖（ Mohr- Coulomb）本構模型，先考慮地基部分，位于地上部分的海堤、連接段和水閘賦予空模型。采用分階段彈塑性求解法求解天然初始應力分布場，此處不考慮構造應力及其他影響，只考慮其初始地應力場主要是由土體自重作用產生的，然后將節點的位移和節點的速度清零[16]。隨后，分步激活地基以上單元，以實現分級加載，使其接近海堤和水閘的實際施工過程，此時海堤、連接段和水閘同時堆載。堤身堆載速率根據施工時原位觀測成果及設計時制定的施工加荷速率計劃確定，以保證堤身地基及邊坡穩定，見表3。

3.4 土工格柵模擬說明

由于土工格柵具有強度高、延伸率低、蠕變量小、表面摩擦性好、加筋效果好、施工方便、排水效果明顯等優點，因此粉砂質海堤地基（包括連接段地基）目前常采用鋪土工格柵的方法處理，發揮其加筋、反濾、隔離、協調沉降差等作用。FLAC3D程序中，每個土工格柵結構單元的力學性能可以分成格柵材料的結構響應和格柵構件與網格的交互作用方式。默認情況下，土工格柵構件采用CST殼有限單元，能抵抗薄膜荷載而不能抵抗彎曲荷載[21]。土工格柵與FLAC3D網格發生直接的剪切摩擦作用，格柵法向方向的運動從屬于FLAC3D網格[22]。模擬過程中，土工格柵結構如圖6所示。

3.5 驗證模型計算結果

表4匯總了連接段與海堤沉降差和連接段與水閘沉降差的計算值和實測值，將兩者對比后可知，利用本計算模型預測的沉降差與實測沉降差接近，偏差率低于10%，說明利用所建計算模型預測的沉降值（差）是合理的，尤其是對比分析不同地基處理方式的效果時，其結論是可信的。

4 計算結果分析

4.1 固結沉降分析

表5是考慮流固耦合后，計算所得10 a內海堤、水閘及其連接段的工后沉降值。可以看出：工況1海堤工后最終沉降值為45.00 cm，連接段工后最終沉降值為43.00 cm.水閘工后最終沉降值為1.50 cm;工況2海堤工后最終沉降值為44.50 cm.連接段工后最終沉降值為8.50 cm.水閘工后最終沉降值為1.55 cm;工況3海堤工后最終沉降值為44.80 cm.連接段監測點1工后最終沉降值為35.90 cm.連接段監測點2工后最終沉降值為10.56 cm，水閘工后最終沉降值為1.52cm。3種工況下海堤、水閘及其連接段沉降趨勢大體一致，建成后1-4 a內沉降值較大，4a后沉降逐漸趨于穩定。海堤沉降值較大，水閘沉降值較小且比較穩定，連接段沉降值大小介于海堤沉降值和水閘沉降值之間。

4.2 不均勻沉降差分析

表6統計了3種工況下，不同時間段連接段與海堤的沉降差、連接段與水閘的沉降差。可以看出：工況1連接段與海堤的最終沉降差為2.00 cm，沉降差很小，這是因為連接段和海堤單位面積上的豎向荷載一致，且地基處理方式一樣;而連接段與水閘的最終沉降差為41.50 cm，沉降差較大，這是因為水閘地基的處理方式是開挖至設計要求的持力層后再分層壓實回填，地基土體后期固結沉降對其影響相對較小，而海堤及連接段地基僅用土工格柵、編織布及石渣墊層處理，地基土體后期固結沉降對其影響相對較大;工況2連接段與水閘的最終沉降差為6.95 cm，沉降差較小，這是因為兩者地基處理方式一樣，盡管連接段和海堤單位面積上的豎向荷載一致，但地基處理方式不同導致兩者產生了36.00 cm的沉降差，沉降差較大;工況3連接段與水閘的最終沉降差為9.04 cm.連接段與海堤的最終沉降差為8.90 cm.相比于前兩種工況，第3種工況可同時減小連接段與水閘的沉降差及連接段與海堤的沉降差，這是因為連接段與水閘銜接處采用與水閘地基相同的處理方式，連接段與海堤銜接處采用與海堤地基相同的處理方式，連接段中間部分地基沿連接段長度方向從水閘地基處理方式漸變為海堤地基處理方式。

連接段與海堤的地基處理方式相同時（工況1），連接段與海堤的沉降差較小且比較平穩，為1. 25 -2.00 cm，連接段與水閘的沉降差較大，為3.50 - 41.50cm，建成后4a內增長幅度較大，建成4a后沉降差逐漸趨于穩定;連接段與水閘的地基處理方式相同時（工況2），連接段與水閘的沉降差較小且比較平穩，為0.39 - 6.95 cm.連接段與海堤的沉降差較大，為1.51-36.00 cm.在建成后4a內增長幅度較大，建成4a后逐漸趨于穩定：連接段地基采用從水閘地基處理方式漸變為海堤地基處理方式時（工況3），連接段與水閘的沉降差為0.77 - 9.04 cm，大于第二種工況，但小于第一種工況，連接段與海堤的沉降差為1.38 - 8.90 cm.大于第一種工況，但小于第二種工況，沉降差都介于前兩種工況之間。

5 結語

粉砂質地基上水閘地基開挖至符合設計要求的持力層再壓實回填至設計標高，海堤地基采用土工格柵、編織布及石渣墊層處理。連接段地基采用與海堤地基相同的處理方式時（工況1），連接段與水閘的最終沉降差為41.50 cm，這種狀況會危及到水閘和海堤自身的安全，影響其減災效益的充分發揮，連接段與海堤的最終沉降差為2.00 cm.沉降差值很小;連接段地基采用與水閘地基相同的處理方式時（工況2），連接段與海堤的最終沉降差為36.00 cm，也會嚴重影響到海堤和水閘的自身安全及正常運行，連接段與水閘的最終沉降差為6.95 cm，沉降差值較小：連接段地基采用從水閘地基處理方式漸變為海堤地基處理方式時（工況3），連接段與水閘的最終沉降差為9.04 cm，連接段與海堤的最終沉降差為8.90 cm，相比于前兩種工況，第3種工況可同時減小連接段與水閘的沉降差和連接段與海堤的沉降差。可見，連接段粉砂質地基處理方式應優先選用從水閘地基處理方式漸變為海堤地基處理方式（工況3），可達到同時減小連接段與水閘沉降差和連接段與海堤沉降差的效果，實現地基承載力和剛度的漸進變化，減少海堤與水閘之間的不均勻沉降，較好地解決海堤一連接段一水閘之間的變形協調問題。

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【責任編輯 張帥】

收稿日期：2019- 04-09

基金項目：浙江省重點水利科技項目（ RB1505）;浙江省水利專項資金項目（317013-2011-0102）

作者簡介：劉建飛（1967-），男，陜西米脂人，副教授，高級工程師，主要從事水利水電建筑工程專業教學與研究工作

通信作者：任紅俠（1968-），女，陜西興平人，高級工程師，主要從事水利工程專業教學與研究工作