降雨對樂清市久安塘海堤穩(wěn)定的影響分析

王忠權(quán),鄭祖楨

(浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院,浙江 杭州 310016)

樂清市久安塘位于浙江省樂清市雁蕩鎮(zhèn),其防潮標準為20年一遇.久安塘自加固以后運行至今雖未發(fā)現(xiàn)大的安全破壞,但海堤水平、垂直向變形嚴重,裂縫、空穴頻頻,令人對其運行安全程度十分擔心,故需要對其進行安全分析.

1 久安塘的安全分析

樂清市久安塘在清末時已經(jīng)成形,為土塘,擋潮標準很低,20世紀90年代遭數(shù)次破壞及搶修加固形成臨海面為干砌石擋墻的海塘.20世紀90年代初該海堤按P=5%進行了加固.但該標準塘在9417、9711兩次強臺風中造成了較嚴重的損失.在20世紀末、21世紀初又對久安塘進行了加固.現(xiàn)狀斷面,見圖1.

通過對當?shù)卮迕窦艾F(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)久安塘存在以下幾個問題:(1)堤頂路面和防浪墻之間開裂嚴重,見圖2,塘身外側(cè)有失穩(wěn)趨勢.(2)塘身縱向及橫向均有沉降不均現(xiàn)象,最大沉降差達19.2 cm.(3)塘身路面與后坡間有垂直裂縫及空洞,見圖3.

而通過現(xiàn)場開挖可知,原混凝土路面以下部分為1993年工程加固時完成,主要有垂直布置的干砌石墻體,墻體內(nèi)為垂直碎石反濾層,反濾層與老堤心土間為砂卵石混合料,在混合料上部則為老混凝土路面.老混凝土路面上部為頂面新混凝土路面、墊層及外側(cè)漿砌塊石直立墻、擋浪墻,見圖4.從老混凝土路面以下部分開挖實況看,由于雨水從路面與防浪墻間的縫隙流入,使堤身土體在水流作用下混入垂直反濾層,因此垂直反濾層中已混有相當數(shù)量的土料,形成了土石混合結(jié)構(gòu),并且愈靠外側(cè)細粒料愈少,架空愈嚴重,見圖5.而在第二次加固過程中,對老路面下的墊層和土方未作補充或壓實,空隙依然存在.隨著擋浪墻、鎮(zhèn)壓層及堤頂路面竣工后,一方面由于漿砌石擋墻前趾應力加大,地基土發(fā)生固結(jié)沉降,使擋墻產(chǎn)生一定的外傾,隨著時間的推移,這一變形使新老混凝土面板與擋墻間的縫隙進一步擴大,特別是老面板與擋墻拉裂錯位,為雨水或越浪下滲創(chuàng)造了路徑,而擋墻基礎(chǔ)透水更易使堤身土體淘失,盡管這一過程是緩慢的、不連續(xù)的.堤身土的淘失又加劇了路面在車輛荷載作用下裂縫的發(fā)展,造成了惡性循環(huán).

圖1 久安塘典型斷面

圖2 擋浪墻與路面脫開

圖3 路肩與內(nèi)坡土體脫離

圖4 路面下垂直結(jié)構(gòu)

圖5 擋墻內(nèi)側(cè)空洞

吳宏偉等[1]研究表明,雨水的入滲引起非飽和土中基質(zhì)吸的喪失或減小是降雨引起土坡穩(wěn)定性降低的主要機理;坡面防滲保護層存在10%～20%的雨水滲入,也會引起孔隙水壓力的分布發(fā)生明顯變化,從而導致安全因素顯著下降.盡管非飽和滲流表現(xiàn)為水氣兩相,但R.A.FREEZE[2]認為對大多數(shù)實際問題來講,考慮水相流動的非飽和單相近似技術(shù)的計算結(jié)果與考慮氣、水兩相流動的非飽和滲流的計算結(jié)果之間的誤差可以忽略.

2 雨水下滲的非穩(wěn)定滲流模型

除了降雨入滲對邊坡穩(wěn)定的不利影響外,降雨入滲引起的土體初始飽和度提高會導致海堤滲透穩(wěn)定的不利.一般情況下海堤外側(cè)水位漲落時間快,海水難以在海堤內(nèi)部形成較高的穩(wěn)定滲流線,而當海堤土體初始飽和度接近飽和時,即使堤外高水位持續(xù)時間不長也可能形成較陡的水力坡降,從而危及海堤的安全.朱偉等[3]在日本建設(shè)省土木研究所的試驗也表明降雨土體整體飽和度增加,增大了土體透水性,減少了土的強度,降低了堤防對洪水的防御能力.

三維飽和非飽和/非穩(wěn)定滲流基本方程如下[4]:

式中:kr為相對滲透系數(shù)(非飽和滲透系數(shù)與飽和滲透系數(shù)的比值);kij為飽和滲透系數(shù);h為壓力水頭;xi為坐標軸,其中x3為正向向上的鉛直軸;C為等效比容水度,是壓力水頭(或含水量)的函數(shù);在非飽和區(qū)β=0,在飽和區(qū)β=1;SS為等效單位貯存量;t為時間;S為源(匯)項.

上式要求得正確的計算結(jié)果,須采用符合海堤土質(zhì)特性的非飽和水力參數(shù),即h～θ、kr～θ及C～θ關(guān)系(θ為含水量).h～θ可通過實測確定,kr～θ可由VanGenuchten模型(式2和式3)來擬合,C～θ由式4來確定.

上式中 θs、θr為土的飽和含水量及殘余含水量,α、m為與土質(zhì)相關(guān)的擬合參數(shù).這4個參數(shù)可根據(jù)實測的水分特征曲線h～θ來求得,進而確定非飽和水力參數(shù)kr～θ和C～θ關(guān)系.根據(jù)h～θ、kr～θ及C～θ的關(guān)系可確定式(1)中的kr(h)和C(h).

3 堤身初始飽和度對滲流的影響

由于雨水下滲可以改變堤身土的初始飽和度,通過建立久安塘飽和非飽和/非穩(wěn)定滲流模型,分析不同初始飽和度下浸潤線的變形情況.結(jié)果顯示海堤土體初始飽和度的增加可使浸潤線的伸展明顯加快,初始飽和度高的海堤浸潤線在短時間內(nèi)即可到達背坡腳,出滲點也以較快的速度上升,見圖6.因此海堤土初始飽和度對堤身非飽和滲流影響較大.

圖6 不同初始飽和度情況下背坡腳出現(xiàn)明顯滲漏的時間變化圖

4 結(jié) 論

久安塘是浙東海塘的一類代表,久安塘出現(xiàn)的問題具有普遍性,本文僅針雨水入滲對其進行飽和非飽和/非穩(wěn)定滲流模型分析.分析顯示海堤土的初始飽和度對海堤滲流影響大,初始飽和度大的海堤在高潮位作用下可以很快形成較高較陡的浸潤線,當?shù)躺硗馏w防滲性能差時很容易造成滲透破壞.并且雨水下滲對海堤邊坡的穩(wěn)定也是不利的.而降低海堤土體的初始飽和度主要是避免雨水和越浪的下滲,因此在海堤工程設(shè)計中宜采用柔性材料填縫、適應變形能力好的柔性路面、保證路面橫向排水,橫向坡比宜按規(guī)范取大值[5]、增設(shè)坡面或路面防滲保護層等措施.在海堤運行管理中加強堤頂結(jié)構(gòu)巡查,當出現(xiàn)雨水易下滲的裂縫、坑洞等時要及時修補.

目前浙東海堤從標準塘建設(shè)至今多數(shù)海堤已經(jīng)運行超過10 a,大范圍的海堤安全鑒定工作也已開展,對鑒定有問題的海堤進行加固的工作也將迅速開展.建議對海堤鑒定中出現(xiàn)堤頂開裂、坑洞等易積水和雨水下滲嚴重的海堤盡早進行維修和加固.

[1]吳宏偉,陳守義,龐宇威.雨水入滲對非飽和土坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究[J].巖土力學,1999,20(1):1-14.

[2]FREEZE R.A.,CHERRY J.A.Groundwater Englewood cliff[M].NJ:Prentice-Hall 1979.

[3]朱 偉,山村和也.降雨時土堤內(nèi)的飽和-非飽和滲流及其解析[C].中國土木工程學會第八屆土力學及巖土工程學術(shù)會議論文集.北京:中國土木工程學會土力學及巖土工程學會,1999.

[4]毛昶熙,段祥寶,李祖貽.滲流數(shù)值計算與程序應用[M].南京:河海大學出版社,1999.

[5]劉 寧.SL435-2008海堤工程設(shè)計規(guī)范[S].北京:水利水電出版社,2009.