巢湖湖區(qū)口門導堤整體穩(wěn)定及沉降分析

陶言祺

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

航道口門淤積主要由于河流的徑流量[1]、輸沙量，以及波浪造成的沿岸輸沙等引起[2-4]。巢湖獨特的湖流動力影響，巢湖湖區(qū)航道范圍內(nèi)泥沙運動較為活躍，白石天河口門及兆河口門處由于湖區(qū)常風向NNW風浪引起的泥沙運動而呈緩慢淤積的態(tài)勢，再加上受到湖區(qū)水位的頂托作用，流速減小，水流挾沙能力減小，上游所攜帶的泥沙在口門處產(chǎn)生淤積，進而影響進出湖區(qū)航道的通航水深[5]。

為有效控制口門航道處湖底泥沙淤積對航槽的不利影響以及湖區(qū)風生流對通航水流的影響，根據(jù)巢湖湖床的演變規(guī)律，本次設計對白石天河口門和兆河口門處航道采取筑壩與疏浚相結合的整治措施，在口門航道兩側設置攔沙導堤，防浪擋沙，減小航槽回淤，并通過航槽疏浚使其達到設計水深的要求。

河口口門導堤多采用直立堤或斜坡堤[6]，斜坡堤通長采用拋石結構型式[7-8]，建在淤泥、軟土地基上的導堤易沉降、產(chǎn)生穩(wěn)定問題[9-11]。巢湖湖區(qū)口門地層為淤泥，因此，需要對其整體穩(wěn)定和沉降進行分析。

1 工程概況

航道整治線寬度根據(jù)河段的具體情況和整治經(jīng)驗綜合分析確定；口門有效寬度宜為1.0倍～1.5倍設計船長，口門有效寬度底邊線至防波堤的距離應滿足防波堤穩(wěn)定的要求。白石天河口門處航道整治線寬度取180 m；考慮兆西河航道目前正在按照一級航道標準開展研究，為適應遠期航道規(guī)劃和船型發(fā)展，兆河口門處航道整治線寬度按220 m控制。

為了維護巢湖湖區(qū)航道入湖口門航槽的穩(wěn)定，白石天河口門和兆河口門均在口門航道兩側新建攔沙導堤，以達到防浪擋沙、減小口門區(qū)航道回淤的功能。

2 湖區(qū)導堤

巢湖湖區(qū)白石天河口門和兆河口門處導堤均按接岸布置。其中白石天河口門航道處兩側導堤對稱布置，左、右側導堤長度分別為1.95 km，1.93 km；兆河口門航道處兩側導堤按不對稱布置，左、右側導堤長度分別為2.07 km，1.57 km。兩處口門攔沙導堤長度共計7.52 km。本次攔沙導堤設計采用斜坡堤斷面型式，具有整體穩(wěn)定性好、對地基變形與承載力要求較低，對水流流態(tài)影響較小的特點，巢湖湖區(qū)多年平均水位7.1 m條件下，導堤工程附近湖區(qū)波浪平均波高約0.7 m。巢湖泥沙運動方式以懸浮運動為主，確保導堤攔沙效果，減小運營期航槽維護量，導堤高程不宜過低。為保證多年平均水位條件下平均波浪基本不越堤，導堤堤頂高程取7.8 m。

場地地層自上而下分別為：①層淤泥、②層粉質(zhì)黏土、②1層粉土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層粉質(zhì)黏土、⑦層黏土、⑧層粉質(zhì)黏土、⑧1層粉土、⑨1層強風化泥質(zhì)砂巖、⑨2層中風化泥質(zhì)砂巖。遠離湖岸的導堤段堤基表層為淤泥層，厚度0.97 m～1.42 m；下部土層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和粉細砂為主，厚度變化較大，且多屬低壓縮性土，易產(chǎn)生不均勻沉降。

場地地基土力學指標表見表1。

表1 場地地基土力學指標表

根據(jù)巢湖湖區(qū)歷年水文資料，并結合施工強度、施工能力等因素綜合考慮，確定施工水位為6.8 m，具體施工時施工水位可根據(jù)施工當年工程區(qū)域水位情況進行調(diào)整。

3 導堤方案設計

3.1 導堤方案

根據(jù)巢湖湖區(qū)的自然條件、地質(zhì)和水流特點，結合攔沙導堤總平面布置和斷面型式，堤身結構選擇對水流流態(tài)影響較小的結構型式。經(jīng)過對拋石斜坡堤、拋填方塊斜坡堤、袋裝砂斜坡堤等結構技術與經(jīng)濟綜合比選，拋填方塊斜坡堤充分利用人工砌塊來替代天然建筑材料，可以大大減少天然建筑材料用量，施工方便。堤身設計采用拋填人工砌塊斜坡堤。

斜坡堤堤身邊坡坡比取1∶2(航槽側邊坡取1∶1.5)。導堤頂寬3.0 m(堤頭20 m范圍內(nèi)加寬至5 m)，頂高程7.8 m[12]。斜坡堤堤心采用人工砌塊結構，為防止湖區(qū)波浪對堤身的破壞，需在堤頂和堤心結構外側設置人工砌塊護面或鏤空駝峰型生態(tài)護面結構(其中除導堤接岸段50 m范圍內(nèi)采用鏤空駝峰型生態(tài)護面結構外，其余段均采用人工砌塊護面)。

考慮人工砌塊制作工藝的差異，本次設計對人工砌塊構件尺寸不做限制，僅要求堤心砌塊規(guī)格按不小于(15 kg～410 kg)控制，護面砌塊的單個塊體質(zhì)量應不低于490 kg[13]。其中導堤的堤心砌塊結構應具有合理的級配(例如邊長分別為20 cm,30 cm,60 cm的正方體砌塊按100∶62∶10配比)，以增大密實度，減少孔隙率。

導堤斷面見圖1。

3.2 整體穩(wěn)定及沉降分析

3.2.1 計算參數(shù)分析

口門處導堤結構的整體穩(wěn)定和地基承載力不滿足要求，需要進行地基處理。根據(jù)JTS 154—2018防波堤與護岸設計規(guī)范，綜合考慮施工方便、經(jīng)濟效益等因素，本次對白石天河口門導堤和兆河口門導堤堤基范圍采取袋裝土護底進行地基處理，厚度60 cm。袋裝土護底寬度范圍約為35 m，以導堤中心為界，靠近航道一側護底寬度為15 m，背離航道一側護底寬度為20 m。袋裝土充填土料采用黏性土，其天然重度應不小于19 kN/m3，塑性指數(shù)按大于10控制，施工單位需自行考慮土源，優(yōu)先采用工程棄土。堤心采用固化石，堤基采用拋填袋裝土擠淤，頂部設置一層土工格柵，參數(shù)詳見表2。

表2 導堤材料參數(shù)

為了更準確的計算沉降量，統(tǒng)計各個土層對應壓力下的孔隙比，計算沉降將采用e-p值導入軟件進行計算。

白山口門土層參數(shù)見表3～表6。

表3 ③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土

表4 ②層粉質(zhì)黏土

表5 ④層粉質(zhì)黏土

表6 ④1層粉土

兆河口門土層參數(shù)見表7～表10。

表7 ③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土

表8 ②層粉質(zhì)黏土

表9 ④層粉質(zhì)黏土

表10 ②1層粉土

3.2.2 整體穩(wěn)定、沉降計算

計算采用理正巖土6.5pb4-軟土堤壩模塊、有限元軟件MIDAS-GTS-NX，計算考慮了堤內(nèi)航道疏浚開挖，地下水位為高程4.2 m，堤內(nèi)外水頭差為1 m。在最不利工況組合下，對導堤系統(tǒng)進行驗算。

1)理正巖土6.5pb4-軟土堤壩模塊計算結果匯總表見表11。

表11 導堤計算結果(一)

堤壩穩(wěn)定計算圖見圖2。

計算結果顯示導堤斷面中部沉降大，兩端沉降小，最大沉降達到588 mm，呈現(xiàn)典型盆形斷面(見圖3)，不均勻沉降明顯，沉降后堤頂高程低于7.8 m。

2)MIDAS-GTS-NX計算結果匯總表。

有限元計算共劃分12個施工步驟，提取主要步驟的計算結果，如表12所示。

表12 導堤計算結果(二)

有限元計算結果沉降云圖顯示最大沉降549 mm(見圖4)，沉降斷面呈盆形斷面，與理正巖土6.5pb4-軟土堤壩模塊計算結果基本吻合，地基土體最大剪應變區(qū)域位于沉降斷面中心地基土體沉降最大處，結果合理(如圖5所示)。

3.2.3 整體穩(wěn)定及沉降分析

堤身整體穩(wěn)定滿足要求，穩(wěn)定系數(shù)小于1的滑弧均位于內(nèi)側1∶1.5坡面上，施工期坡面可能會導致局部失穩(wěn)，建議放緩內(nèi)側堤身坡比。

從沉降變形來看，沉降斷面有限元算法與經(jīng)驗公式算法一致，沉降斷面為盆形，即中間大，兩側沉降小，出現(xiàn)明顯的不均勻沉降，需要采取措施克服不均勻沉降，建議在堤身斷面底部分層鋪設土工格柵。

計算結果顯示堤身沉降接近60 cm，設計需要考慮預留沉降量。施工時導堤需預留一定超高，以保證沉降穩(wěn)定后堤頂標高滿足設計要求，具體預留高度應結合施工期沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析確定。

4 施工技術

施工順序：施工準備→掃床清障→堤基清理→鋪設土工格柵→袋裝土護底鋪設→分級拋填人工砌塊，并進行堆載預壓→外坡碎石、塊石墊層、護面塊體施工→內(nèi)坡碎石、塊石墊層、護面塊體施工。

拋填導堤不同位置的水深、地質(zhì)條件、施工機具等確定施工工藝[14]。為防止加載過快堤身失穩(wěn)，導致拋填量增大，建議施工設置試驗段，近岸端部可采取一次拋填出水面的方式，湖區(qū)深水區(qū)域施工采用分層往復法拋填。

拋填塊體的基本原則是：先深后淺，先點后線，薄層輪加，均衡上升。拋填人工砌塊時要求砌塊護面規(guī)則擺放、砌塊堤心應根據(jù)不同規(guī)格，先粗后細分層拋高，厚度應均勻，不得出現(xiàn)空檔或漏拋。

拋填人工砌塊擬采用網(wǎng)格拋投法施工工藝，定點定量拋投，拋投船采用GPS定位的專業(yè)拋投船，船上配吊機。即施工前將拋投水域劃分為矩形網(wǎng)格，將拋投工程量計入到相應網(wǎng)格中去，在施工過程中再按照預先劃分的網(wǎng)格及其工程量進行拋投，從拋投量和拋投均勻性兩方面有效地控制施工質(zhì)量[15-17]。

1)確定的斷面控制點，結合地形精確定位，確定拋填塊體斷面線上的起拋控制點和方向控制點，每個控制點均設置控制樁標示。

2)拋投定位船定位時，需要根據(jù)人工砌塊入水的漂距來確定其定位偏移量。

3)拋前地形測量應在正式拋投前施測，拋投后的地形測量應在拋投完工后立即進行，以使其成果能較真實地反映拋前拋后的實際情況。對拋前、拋后及設計拋石坡度線套繪進行對比，要求拋后剖面線的每個測點與設計線相應位置的測點誤差為±30 cm。

4)為避免拋填過程中拋投船移位間距過大，出現(xiàn)塊體拋填不均勻，甚至出現(xiàn)空缺的情況，在施工前，均應預先按照拋投覆蓋寬度制定出拋投船橫向移動擋位。

5 結論

1)拋石導堤施工過程中，堤身內(nèi)側坡比宜緩，防止坡面局部失穩(wěn)，塊體滾入航槽，影響通航。

2)拋填導堤梯形斷面堤身沉降呈現(xiàn)盆式斷面，不均勻沉降大，為減少不均勻沉降，可采取擠淤、堤底鋪設土工格柵、分層加載的組合措施。

3)軟土地基上拋填導堤需要設置預留沉降量，使施工完成后，堤頂高程滿足設計要求。

4)拋填過程應結合計算結果合理確定施工工藝和工序，可防止施工過程沉降量過大。