張鴻偉

（中山市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司,廣東 中山 528403）

1 引言

海堤是防御風(fēng)暴抵御潮汐的重要水利工程,其穩(wěn)定安全對于保障人民生命財產(chǎn)至關(guān)重要,但是海堤大多建于軟土地基之上,受施工、潮汐和降雨等因素的影響,容易發(fā)生大變形甚至滑坡等災(zāi)害。目前,已有眾多學(xué)者對于海堤失穩(wěn)原因進(jìn)行了研究,普遍認(rèn)為施工引起的上部填筑加載、潮汐引起的臨水側(cè)水位反復(fù)大幅快速漲落、強(qiáng)降雨引起的堤身自重增大、土體軟化以及堤后砂石堆載等均會導(dǎo)致海堤大變形甚至滑坡[1-6]。為了研究這一問題,目前主要有以下分析方法：（1）采用剛體極限平衡法或有限元強(qiáng)度折減法計算海堤的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)[7]；（2）首先運(yùn)用有限元流固耦合方法計算超孔隙水壓力隨時間的消散過程,然后采用剛體極限平衡法計算海堤的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨時間的變化規(guī)律[8]；（3）采用靜動力有限元法對海堤的應(yīng)力和位移分布進(jìn)行仿真計算,分析海堤的安全性[9]。本文將以聯(lián)圍海堤工程為例,基于有限元流固耦合方法和剛體極限平衡法,利用三維數(shù)值模擬計算,分析該工程的滑移原因,研究加固處理措施,為其它類似工程提供經(jīng)驗。

2 工程概況

2.1 堤防斷面形式

某聯(lián)圍海堤加固工程位于橫門入?？诟浇?出險段海堤現(xiàn)狀為直立式防洪墻結(jié)構(gòu),堤外臨水沒有灘地,堤腳現(xiàn)有拋石護(hù)腳,堤頂路面高程約為3.50 m（珠基,下同）。防洪墻經(jīng)多次分級加高加固為干砌石外裹混凝土幕墻結(jié)構(gòu),斷面形式為二級陡墻。墻后堤頂泥結(jié)石路面高程為3.50 m,寬度約為5.70 m。堤腳為水草地,底面高程約-0.50 m。見圖1。

圖1 海堤示意圖

2.2 事故現(xiàn)場情況

2021 年10 月8 日,工程區(qū)遭遇暴雨和高潮位疊加惡劣天氣,受堤內(nèi)用地暫未解決和堤內(nèi)地塊開發(fā)吹填影響而未實(shí)施加固施工的堤段,出現(xiàn)長度約140 m 堤身及防洪墻向堤外發(fā)生明顯滑移險情,其中最大處滑移約6.5 m,且防洪墻前土體出現(xiàn)明顯的隆起和涌水現(xiàn)象,背水側(cè)填土面出現(xiàn)開裂和沉陷現(xiàn)象,危及大堤的防洪（潮）安全。

3 事故原因分析

3.1 地質(zhì)條件分析

經(jīng)地質(zhì)勘探查明,工程場址土層從上而下主要由人工填土層（Q4s）、第四系沖積層（Q4al）、第四系風(fēng)化殘積層（Qel）、侏羅系蓢尾單元（JL）共四個大層組成。其中：1）人工填土層（Q4s）,滲透系數(shù)平均值為1.6×10-2cm/s,屬強(qiáng)透水層；2）新生界第四系沖積層（Q4al）淤泥質(zhì)土為極微透水堤基,滲透系數(shù)為7.0×10-7cm/s；3）第四系風(fēng)化殘積（Qel）遇水易軟化崩解。4）侏羅系張家邊序列蓢尾單元（JL）巖芯呈半巖半土狀夾碎塊狀,母巖結(jié)構(gòu)大部分破壞。

防洪墻建設(shè)時基本采用岸邊拋石基礎(chǔ)上部砌筑干砌石擋墻、墻后填土的方法施工,雖歷經(jīng)多次加高培厚,也主要局限在防洪墻的加高和包裹砼幕墻、堤身土方加固培厚等,但未對堤基進(jìn)行有效的處理。

初步分析事故發(fā)生主要原因為水草地實(shí)施吹填施工,吹填未進(jìn)行地基處理和合理的分層間歇,且吹填面未設(shè)置排水設(shè)施。堤后吹填見圖2。

圖2 海堤堤后填土示意圖

3.2 出險段穩(wěn)定性分析

3.2.1 現(xiàn)有地基軟土層地質(zhì)參數(shù)分析

珠江三角洲地區(qū)的淤泥和淤泥質(zhì)軟土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的合理取值是地基處理和邊坡穩(wěn)定設(shè)計的關(guān)鍵因素。通過現(xiàn)場取樣進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗分析的常規(guī)軟土強(qiáng)度參數(shù)獲取方法雖易于操作,但受軟土的高靈敏度等特性影響,在取土過程中不可避免的會對土樣進(jìn)行擾動,造成土體強(qiáng)度降低,為后期設(shè)計土體主要力學(xué)指標(biāo)的合理取值帶來較大的不確定性。為此,下面分別對不同試驗方法成果推求和分析,綜合確定軟土的物理力學(xué)指標(biāo)。

（1）地質(zhì)勘察報告中堤基的地質(zhì)參數(shù)見表1（淤泥質(zhì)土層指②-2 層,下同）。

（2）十字板強(qiáng)度指標(biāo)推求軟土抗剪強(qiáng)度

閆澍旺等人根據(jù)Coulomb 抗剪強(qiáng)度公式τf=c+σ',tanφ,及《港口工程地基規(guī)范》（JTS 147-1-2010）附錄J 十字板抗剪強(qiáng)度回歸抗剪強(qiáng)度指標(biāo)[10]：

經(jīng)計算,淤泥質(zhì)土十字板回歸方程τf=1.339z+10.90,將十字板參數(shù)D=50 mm,H=100 mm,浮容重γ',=6.96 kN/m3,K0j=0.68,大堤已基本沉降穩(wěn)定Ut=0.90,代入式（1）可得=16.41°,計算值明顯偏大。

參考李志云[11]等對反算公式的修正,將浮容重,替換為飽和容重γsat可得=6.97°,Cj=10.90 kPa。

（3）根據(jù)土的承載力指標(biāo)推求土體的抗剪強(qiáng)度

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 5007-2011）中5.2.5條及相關(guān)公式：

其中：fa為由土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定的地基承載力特征值；Mb、Md和Mc為承載力系數(shù)（由土的內(nèi)摩擦標(biāo)準(zhǔn)值查表）；b 為基礎(chǔ)底面寬度（大于6 m 時按6 m 取值）；Ck基礎(chǔ)下一倍短邊寬度的深度范圍內(nèi)土的粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值。

依據(jù)計算條件,b=0＜3 m,取b=3.0 m,d=0＜0.50 m,取d=0.50 m,將淤泥質(zhì)土承載力特征值60 kPa,天然密度16.70 kN/m3,天然含水量53.7%,孔隙比1.436,飽和容重16.76 kN/m3,上部土層容重γm=18.40 kN/m3等參數(shù)代入式（3）,取值按照十字板強(qiáng)度推求結(jié)果,查表得Mb=0.12、Md=1.47 和Mc=3.82,計算得C=11.51 kPa。

（4）淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)綜合確定

各方法推求得到的強(qiáng)度指標(biāo)匯總見表2。

表2 各方法推求土層強(qiáng)度匯總表

從表2 可見,淤泥質(zhì)土的十字板強(qiáng)度推求指標(biāo)和承載力反算指標(biāo)非常接近,且都介于快剪指標(biāo)與固結(jié)快剪指標(biāo)之間,其含水量為53.7%,與珠江三角洲軟土的主要物理力學(xué)性質(zhì)關(guān)系中淤泥質(zhì)土含水量在46%～55%區(qū)間,對應(yīng)抗剪強(qiáng)度=8.0°～6.5°、c=11.0 kPa～8.0 kPa[12]非常接近。本次綜合確定淤泥質(zhì)土=7.0°、c=10.0 kPa。

3.2.2 現(xiàn)狀海堤抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》（GB/T 51015-2014）,考慮三種工況組合進(jìn)行現(xiàn)狀海堤穩(wěn)定性分析。計算參數(shù)選取基于上述參數(shù),分別采用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法進(jìn)行計算,結(jié)果見表3。

三種工況中除施工期滿足要求外,其他工況最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.08 和1.18,略低于規(guī)范規(guī)定要求,但均大于1.00,計算結(jié)果與海堤穩(wěn)定現(xiàn)狀情況是相吻合的。因此,確定的堤基淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是合適的。

3.2.3 堤背填土后海堤抗滑穩(wěn)定分析

失穩(wěn)前堤背吹填土平均高度約3.5 m,其吹填斷面見圖2。堤后的新吹填土體含水量高,遭遇失穩(wěn)前連續(xù)降雨,加之未設(shè)排水系統(tǒng),該層土體考慮完全飽和,且未固結(jié),參照地區(qū)經(jīng)驗其容重（飽和）取16.0 kN/m3,強(qiáng)度指標(biāo)取=3.0°、cq=4.0 kPa。吹填土面積水嚴(yán)重,堤后水位直接取為填土面高程。由于吹填未進(jìn)行合理的分層間歇,下部淤泥質(zhì)土滲透系數(shù)小,上部加載后會對土體產(chǎn)生較大的超靜孔隙水壓力。根據(jù)劉雄美等[13-14]的研究,地基的超靜孔隙水壓力隨著填土高度的增加而增加,在加載完成時,土中的水來不及排出,超靜孔隙水壓力驟升。而根據(jù)湯宇等[15-16]的研究,孔隙水對主動土壓力有較大影響,當(dāng)孔隙水壓力及孔隙水系數(shù)越大時,主動土壓力顯著增大,降低了土層的穩(wěn)定性,增大了滑移的風(fēng)險性。因此,在海堤背水側(cè)填土后的海堤抗滑穩(wěn)定分析中,必須考慮孔隙水壓力的影響。按照一般經(jīng)驗,對于淤泥質(zhì)土,其孔隙水壓力系數(shù)可達(dá)1.0。

背水側(cè)填土后的海堤抗滑穩(wěn)定計算考慮兩種工況組合,計算工況見表4。上部吹填土體視為新填土體,并考慮該部分加載對下部淤泥質(zhì)土產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力作用。海堤吹填完工后地基土未完全固結(jié),海堤抗滑穩(wěn)定分析按非常運(yùn)用情況Ⅰ考慮。由于有效應(yīng)力法相較于總應(yīng)力法,能夠更好地反映孔隙水壓力的作用,因此文章重點(diǎn)分析考慮孔隙水壓力作用的有效應(yīng)力法計算,而總應(yīng)力法僅給出計算結(jié)果作為對比。

表4 堤背填土后堤防抗滑穩(wěn)定計算工況說明表

（1）計算邊界條件

工況一：

①初始滲流場：外側(cè)水位-1.27 m 的總水頭邊界條件、內(nèi)側(cè)水位-0.44 m 的總水頭邊界條件。

②初始應(yīng)力場：地基三面法向約束邊界條件。

③吹填土施工與固結(jié)：地基三面法向約束邊界條件。

④暴雨入滲：雜填土滲透系數(shù)較大,暴雨過程中,雨水流量能完全滲入雜填土中,其表面設(shè)置單位流量邊界條件；吹填土滲透系數(shù)較小,暴雨過程中,雨水無法立即滲入,會出現(xiàn)表面徑流,因此吹填土表面設(shè)置“零”壓力水頭邊界條件；外側(cè)地表設(shè)置溢出邊界條件。

工況二：

①初始滲流場：外側(cè)1.78 m 的總水頭邊界條件、內(nèi)側(cè)3 m的總水頭邊界條件。

②初始應(yīng)力場：外側(cè)1.78 m 的靜水壓力邊界條件、地基三面法向約束。

③水位驟降：外側(cè)1.78 m～-0.48 m 水位驟降的總水頭邊界條件,以及1.78 m～-0.48 m 靜水壓力驟降邊界、地基三面法向約束。

（2）計算過程及結(jié)果

初始計算時的孔隙水壓力計算點(diǎn)位見圖3。其中,A 點(diǎn)為淤泥質(zhì)土中2 倍堤身高度處的計算點(diǎn)位；B 點(diǎn)為雜填土與淤泥質(zhì)土交界處計算點(diǎn)位；C 點(diǎn)為堤背吹填土1/2 高度處計算點(diǎn)位。

圖3 孔隙水壓力計算點(diǎn)位圖

計算采用專業(yè)的軟件進(jìn)行,工況一的初始孔隙水壓力及安全系數(shù)與時間的關(guān)系見圖4,工況一～工況二的孔隙水壓力等值線云圖見圖5,工況二的各計算簡圖見圖6。

圖4 工況一初始孔隙水壓力及安全系數(shù)與時間的關(guān)系圖

圖5 工況一～工況二孔隙水壓力等值線云圖

圖6 工況二各計算簡圖

堤背填土后采用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法計算的各工況抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果見表5。

表5 背水側(cè)填土后各工況海堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)果表

根據(jù)上述計算過程和結(jié)果可知,隨著堤背吹填的完成,堤基土中（A 點(diǎn)）的孔隙水壓力較初始值有明顯增大；隨著水位驟降的發(fā)生,堤基土中的水壓力逐漸釋放,孔隙水壓力隨水位驟降時間的延長而逐漸減小?？紤]孔隙水壓力的影響時,海堤邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)比不考慮孔隙水壓力計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)更小,邊坡更不安全；同等條件下瑞典圓弧法較簡化畢肖普法抗滑安全系數(shù)低。堤防邊坡在工況二的情況下總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法計算出的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.00,與海堤邊坡的失穩(wěn)事實(shí)相符。

4 海堤加固處理

4.1 海堤加固設(shè)計方案

根據(jù)堤防失穩(wěn)原因分析,后續(xù)采取了針對性的海堤加固設(shè)計方案。

（1）在重建防洪墻背水側(cè)至堤內(nèi)排水溝之間設(shè)置塑料排水板（PSB-C 型）,優(yōu)化堤基排水能力,有效釋放飽和軟土中的孔隙水壓力。

（2）針對軟土堤基的物理力學(xué)指標(biāo)低,邊坡抗滑穩(wěn)定能力弱的特點(diǎn),采用水泥土攪拌樁對堤基進(jìn)行處理,提升軟土層的物理力學(xué)指標(biāo),增強(qiáng)堤防自身的抗滑移能力。

（3）考慮孔隙水壓力對抗滑樁加固位置的影響[17-18],優(yōu)化了水泥土攪拌樁的布樁,以框格形式在新建防浪墻基礎(chǔ)范圍內(nèi)布置2 排水泥土攪拌樁和在堤內(nèi)坡腳內(nèi)側(cè)布置3 排水泥土攪拌樁,確保加固方案有效、合理。

加固處理后的海堤斷面見圖7。

圖7 海堤加固處理斷面圖

4.2 實(shí)施效果分析

堤防加固后,經(jīng)過2 個多月的位移監(jiān)測,堤身位移小于2 mm/月,基本達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)。為分析加固后堤基淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度變化,在排水板施打前和堤身土方填筑完成后通過對堤基處理范圍和未處理區(qū)域進(jìn)行了取樣分析,結(jié)果表明堤基淤泥質(zhì)土強(qiáng)度有明顯提高,堤基處理達(dá)到預(yù)期效果。加固后的海堤安全狀態(tài)良好,擋潮功能發(fā)揮正常,成功經(jīng)受“龍舟水”的考驗。

5 結(jié)論

某聯(lián)圍海堤出現(xiàn)堤身滑移,本文對其出現(xiàn)險情的原因進(jìn)行分析,提出相應(yīng)的加固措施,并對加固效果進(jìn)行驗證,主要結(jié)論如下：

（1）軟土地基及未對其進(jìn)行處理是現(xiàn)狀海堤不穩(wěn)的主要原因,加之海堤保護(hù)范圍內(nèi)地塊開發(fā)和填土施工影響,最終造成海堤失穩(wěn)的情況。

（2）在軟土地基的海堤填筑過程中,如未設(shè)計好堤基排水系統(tǒng),則上部加載后會對淤泥質(zhì)土產(chǎn)生較大的孔隙水壓力,降低堤防邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。因此,在海堤抗滑穩(wěn)定設(shè)計中需對孔隙水壓力加以考慮。

（3）本工程采用排水帶與水泥土復(fù)合基礎(chǔ)聯(lián)合進(jìn)行堤基處理,排水帶有效釋放了淤泥質(zhì)土中因上部加載而產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力,水泥土攪拌樁處理后提升淤泥質(zhì)土的物理力學(xué)指標(biāo)效果明顯,同時考慮孔隙水壓力對抗滑樁的影響,優(yōu)化了抗滑樁的布樁范圍及形式。處理后的堤防穩(wěn)定狀態(tài)良好,取得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益,值得在類似的工程中推廣。

（4）由于海堤滑移既成事實(shí),因此本文僅能從數(shù)值理論計算方面進(jìn)行原因分析,后續(xù)如條件允許,則還應(yīng)進(jìn)行物理模型試驗加以驗證,以進(jìn)一步提高分析成果的準(zhǔn)確性。