海堤加固工程典型斷面沉降的復核計算及應用

朱國康

(臺山市水利工程建設管理中心，廣東 臺山 529200)

1 工程概況

臺山市北陡圍海堤位于臺山市北陡鎮附近，是鎮海灣內河西岸(右岸)的一條海堤，全長約12.5km；海堤各段均由人工堆填淤泥或淤泥質土而成，堤身斷面單薄、低矮，堤頂淤泥皸裂、裂縫密布。由于該處地質條件較差，普遍存在厚層淤泥，在堤身加高施工尚未填至設計的堤頂高程時，多處發生滑塌，導致無法按原設計方案繼續實施,同時導致回填的土方量較施工圖預算工程量明顯增加。鑒于此，為了下一步工程的順利實施，也為了科學合理確定工程的回填土方量，需要進一步復核海堤的穩定性和復核計算海堤的沉降量[1]。

2 選取典型斷面

根據出現嚴重滑塌段位的不同地形，分別選取代表河涌出口滑塌段(樁號6+956)、外海側填筑滑塌段(樁號C1+250)、圍內填筑滑塌段(樁號12+207)的三處典型斷面，開展了勘測(含原位靜力觸探試驗和十字板剪切試驗)和沉降復核計算。

3 典型斷面地質條件分析

根據勘探結果，上述堤段均堤基淺層分布厚層淤泥，淤泥的含水率較高，屬中靈敏性、高壓縮性土,容易產生沉陷和不均勻沉降，在強烈地震作用下，可能出現震陷現象。組成堤基和岸坡的巖土層依次為淤泥/殘積粉質黏土/風化花崗巖，地質結構屬多層結構(Ⅲ)類、堤基表層為淤泥質土亞類。堤基普遍存在變形穩定與抗滑穩定問題，但基本無滲漏和滲流穩定問題。堤基工程地質分類可劃分為工程地質較差堤基，岸坡可劃分為穩定性較差岸坡[2-3]。

3.1 樁號6+956典型斷面地質條件

該處海堤處于河涌出口在原有塘埂的基礎上加高培厚外坡，堤外灘涂為雜草和紅樹林，堤內為蠔塘，原塘埂頂面高程2.65-2.70m，塘底地面高程-1.4m。現狀堤身填土高程約為3.10m，填土寬度約16.10m。堤身新填土層屬素填土，厚度為2.02-6.3m，一般厚度多在2.02-4.4m，平均厚度為3.41m，新填土干密度為1.41-1.48g/cm3，平均為1.48g/cm3；滲透系數為1.08×10-4cm/s，屬中等-弱透水性。堤基淺層分布厚層淤泥，淤泥的含水率平均值為57.8%。

3.2 樁號C1+250典型斷面工程地質條件

該處海堤直面外海，在原有塘埂之上加高培厚堤外坡，屬外海側填筑。堤外灘涂為雜草和紅樹林，堤內為蠔塘，原塘埂頂高程約2.95m，塘底高程-0.5m。現狀堤身填土頂高程約2.15m，填土寬度約11.70m。堤身新填土層屬素填土，厚度為3.1-5.0m，一般厚度多在3.5-5.0m，平均厚度為3.81m。新填土干密度為1.48g/cm3；滲透系數為2.37×10-5cm/s，屬弱透水性。堤基淺層分布厚層淤泥，淤泥的含水率平均值為66.1%。

3.3 樁號12+207典型斷面工程地質條件

該處海堤堤外灘涂辟為蠔塘，堤內亦為蠔塘，在原有塘埂的基礎上加高培厚外坡，屬圍內填筑。原塘埂頂面高程2.65-2.70m，塘底地面高程約為-1.7m。現狀填土的頂高程為2.70m左右，堤身填土寬約7.40m。堤身新填土層屬素填土，厚度為0.53-6.06m，平均厚度為4.17m。新填土干密度為1.49-1.55g/cm3，平均為1.53g/cm3；滲透系數為2.77×10-6cm/s，屬微弱透水性。堤基淺層分布厚層淤泥，淤泥的含水率平均值為69.9%。

4 典型堤段的穩定復核

4.1 極限平衡法計算原理

抗滑穩定計算按《堤防工程設計規范》，采用瑞典圓弧法，圓弧滑動條分法計算，瑞典圓弧滑動法，見圖1。

圖1 瑞典圓弧滑動法

計算公式為：

(1)

式中：K為抗滑穩定安全系數；Q、V為水平和垂直地震慣性力；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kN/m2；α為條塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角，度；b為土條寬度，m；c′、φ′為土條底面的有效凝聚力，kN/m2和有效內摩擦角，度；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

4.2 樁號6+956典型斷面的穩定復核

根據現場實測的斷面形狀，目前堤頂高程約為2.59-3.09m，設計堤頂高程3.6m，臨海側設計高潮水位取3.02m(設計潮水位P=5%)，低潮位是按灘涂面-0.5m。背海側最高水位按魚塘滿水2.0m，最低水位按魚塘放水后，水位高程0.5m考慮，根據規范要求，計算了不同工況下堤防的抗滑穩定性，不同工況下堤防的抗滑穩定性同，見表1。

表1 不同工況下堤防的抗滑穩定性

參照上表：堤防的抗滑穩定安全系數均滿足《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)中3級堤防抗滑穩定最小安全系數的要求。本次計算均為在現狀實測地形下，堤頂填至設計標高后的計算結果，其中臨海側的抗滑穩定安全系數比較高，主要原因是堤防滑移出去的回填土成為了堤腳的反壓土，所以后期堤防加高至設計標高后，建議仍保留住臨海側的滑移出去的回填土，不要挖除，以增加堤防的安全穩定性[4]。

4.3 樁號C1+250典型斷面的穩定復核

此段堤頂高程約為2.15m，設計堤頂高程3.6m，經計算不同工況下，堤頂填至設計標高后，堤防抗滑穩定安全系數均滿足《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)中3級堤防抗滑穩定最小安全系數的要求。

4.4 樁號12+207典型斷面的穩定復核

此段堤頂高程約為2.7m，設計堤頂高程3.6m，各工況的計算結果表明：堤頂填至設計標高后，堤防的抗滑穩定安全系數均滿足《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)中3級堤防抗滑穩定最小安全系數的要求。

5 三個典型斷面的最終沉降量計算

本次分析不考慮前期堤防回填土作用下，還會產生固結沉降這一因素，即假定其沉降已經穩定。僅分析在目前堤頂高程下，繼續加高至設計標高下，堤防加高產生的沉降量。

根據《廣東省海堤工程設計導則》(DB44/T182-2004)第14.2.5條、《海堤工程設計規范》(GB/T51015-2014)第10.3.4條和《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)第9.3.3條，堤身和堤基的最終沉降量采取分層總和法計算。計算公式為：

(2)

式中：n為壓縮層范圍的土層數；e1i為第i土層在平均自重應力作用下的孔隙比；e2i為第i土層在平均自重應力和平均附加應力共同作用下的孔隙比；hi為第i土層的厚度，mm；m為修正系數，一般堤基的m=1.0，對于軟土地基可采用1.3-1.6。

另外，在計算土中附加應力時，考慮了堤頂的施工超載10kPa。

參考《公路路基設計規范》(JGTD30-2015)第7.7.2條，任意時刻地基沉降量，考慮主固結隨時間的變化過程，按下式計算：

(3)

5.1 樁號6+956斷面的最終沉降量

根據上述計算原理計算,6+956斷面的主固結沉降量Sc=35.8mm，主固結沉降盆曲線所圍成的面積S=0.1948m2。

(4)

故此，當m=1.3時,St=46.54mm, 當m=1.6時, St=57.28mm。

當m=1.3時，最終沉降盆曲線所圍成的面積S′=1.3×0.1948m2=0.2532m2, 當m=1.6時，最終沉降盆曲線所圍成的面積S′=1.6×0.1948m2=0.3117m2。

5.2 樁號C1+250、12+207斷面的最終沉沉降量

按照同樣的原理計算,計算得出樁號C1+250、12+207斷面的最終沉降量，C1+250、12+207斷面最終沉降量計算結果表，見表2。

表2 C1+250、12+207斷面最終沉降量計算結果表

6 典型堤段回填土的工程量和回填量系數估算及應用

由于本項目選擇的3個典型斷面的堤防施工過程中出現了滑移和坍塌，目前回填土的標高仍未達到設計堤頂標高，同時考慮到沿堤防縱向的外邊界的變化和不同樁號采用了不同的堤防斷面等原因，故在堤防橫斷面土方量面積計算的基礎上，再分別考慮各堤防斷面所轄的長度，按體積計算。土方回填系數為總的回填土方量V總與設計圖計算土方回填量V0(即圖上凈量，不考慮固結過程)之比。

土方回填系數=V總/V0

總的回填土方量V總應包括4部分組成：已經完成土方回填量(根據勘察揭露出的新填土的面積估算，并假定這部分回填土超載引起的軟土的固結已完成)+按設計圖還需加高的土方回填量+還需加高部分的回填土引起堤基的最終沉降盆形曲線所圍的面積對應土方量+原設計堤頂預留工后沉降量(回填超高厚度)之和。

經計算，各典型斷面代表段位的沉降系數建議值，各典型斷面代表段位的沉降系數計算結果表，見表3。

表3 各典型斷面代表段位的沉降系數計算結果表

7 結 語

本海堤加固工程主要選擇樁號6+956、C1+250、12+207三處典型斷面進行補充勘測與沉降復核計算，采用極限平衡法分析了在目前堤防現狀情況下繼續加高至設計標高時，不同工況下3個典型堤防斷面的抗滑穩定性，由計算得知，施工期為最危險工況，3個斷面各工況下堤防的抗滑穩定安全系數均滿足3級堤防抗滑穩定最小安全系數的要求。并對計算了3個斷面的最終沉降量，結果表明，由于需再加高的厚度不大，并且堤基已有大量的前期已回填的土，所以3個典型斷面的最終沉降量都比較小。