深淤泥基礎(chǔ)海堤斷面結(jié)構(gòu)與滑動穩(wěn)定關(guān)系初探

黃朝煊，方詠來，袁文喜

（浙江省水利水電勘測設(shè)計院，杭州310002）

深淤泥基礎(chǔ)海堤斷面結(jié)構(gòu)與滑動穩(wěn)定關(guān)系初探

黃朝煊，方詠來，袁文喜

（浙江省水利水電勘測設(shè)計院，杭州310002）

對采用排插板法進(jìn)行基礎(chǔ)處理的深淤泥海堤斷面總寬度進(jìn)行了深入研究，通過對浙江沿海地區(qū)淤泥土物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計回歸分析，得出了淤泥天然抗剪強(qiáng)度與天然含水量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。基于北京理正軟件進(jìn)行大量滑動穩(wěn)定計算，分析了海堤寬度B與海堤高H、淤泥層天然抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、淤泥層厚度之間的關(guān)系，并得出了海堤斷面總寬B的計算公式，并通過工程實(shí)際進(jìn)行檢驗(yàn)計算，得出本文公式與實(shí)際工程基本吻合。此外，對海堤滑動安全系數(shù)隨淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化關(guān)系進(jìn)行了敏感分析，認(rèn)為內(nèi)摩擦角對海堤抗滑安全系數(shù)的影響比凝聚力的影響更敏感。

海堤滑動穩(wěn)定；淤泥抗剪強(qiáng)度；淤泥天然含水量；淤泥臨界深度；海堤底寬

1 工程背景

海堤是為了防御風(fēng)暴潮水和波浪對防護(hù)區(qū)的危害而修建的堤防工程，海堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定關(guān)系重大。文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］中海堤結(jié)構(gòu)型式有斜坡式、陡墻式和混合式斷面3種，依據(jù)浙江省水利水電勘測設(shè)計院設(shè)計經(jīng)驗(yàn)［3－4］，一般從消浪防沖觀點(diǎn)推薦帶平臺的混合式斷面型式，但影響結(jié)構(gòu)型式的因素很多，因地制宜至為重要。

毛昶熙［5］利用軟件考慮波浪及潮位作用，對海堤滲流及抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了分析，陳善民［6］分析了土工布加筋對海堤抗滑穩(wěn)定的影響，認(rèn)為加筋更有利于海堤穩(wěn)定。

由于浙江省對海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)注，浙江等沿海地區(qū)圍墾工程投入越來越大，海堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定尤為重要?；诖?，研究了深層淤泥下的海堤斷面的結(jié)構(gòu)與滑動穩(wěn)定關(guān)系，分析了采用排水插板排水固結(jié)法進(jìn)行基礎(chǔ)處理的海堤斷面結(jié)構(gòu)對海堤滑動穩(wěn)定的影響，為海堤斷面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。

浙江省已建和在建的深淤泥海堤工程較多，本文列舉了浙江省水利水電勘測設(shè)計院設(shè)計的采用排水插板排水固結(jié)法進(jìn)行基礎(chǔ)處理的大斷面海堤［3－4］。浙江省水利水電勘測設(shè)計院設(shè)計的2項典型大型圍墾工程：溫州市龍灣二期圍墾工程和甌飛一期圍墾工程進(jìn)行了分析，2種工程均是深淤泥涂面的大斷面海堤結(jié)構(gòu)，涂面高程均較低，分別為－1．5，－4．0 m左右，海堤頂高程為8．0 m左右，海堤斷面較大，對其斷面結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化將節(jié)省大量工程投資，可見對大斷面海堤結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化設(shè)計研究是很有必要的。

2 淤泥抗剪強(qiáng)度分析

淤泥土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水量之間存在一定關(guān)系，本文對浙江沿海地區(qū)的淤泥土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水量之間的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計，見表1，其散點(diǎn)圖見圖1、圖2。通過圖1、圖2可知，雖然不同地區(qū)同樣含水量的淤泥土抗剪強(qiáng)度存在差異，但總體可知天然含水量越大，淤泥的天然抗剪強(qiáng)度指標(biāo)就越小，本文通過統(tǒng)計回歸分析，得出了浙江沿海地區(qū)海相淤泥天然抗剪強(qiáng)度與天然含水量之間的經(jīng)驗(yàn)回歸公式。

圖1 淤泥凝聚力與天然含水量關(guān)系Fig．1 Relation between cohesion and natural water content of silt

圖2 淤泥內(nèi)摩擦角與天然含水量關(guān)系Fig．2 Relation between internal friction angle and natural water content of silt

表1 浙江沿海地區(qū)海相淤泥質(zhì)土含水量與抗剪強(qiáng)度關(guān)系Table 1 Relation between water content and shearstrength ofmucky soil in the coastal areas of Zhejiang Province

通過統(tǒng)計回歸分析法，得出淤泥的快剪凝聚力c（kPa）與天然含水量w（%）之間關(guān)系為

淤泥的快剪內(nèi)摩擦角φ（°）與天然含水量w（%）之間關(guān)系為

3 海堤斷面結(jié)構(gòu)與滑動穩(wěn)定關(guān)系分析

對采用排水插板排水固結(jié)法基礎(chǔ)處理的海堤，其斷面大多采用組合式全拋石斷面，其斷面形式見圖3，其外海側(cè)采用拋石堤身，消浪可采用四腳空心塊、柵欄板、扭王塊等（可根據(jù)實(shí)際風(fēng)浪大小選取）；圍區(qū)側(cè)為子堤和閉氣土回填；基礎(chǔ)處理為鋪墊土工布，再鋪上1．0 m厚碎石墊層，然后在其上打排水插板。

圖3 海堤滑動穩(wěn)定Fig．3 Schematic of sliding stability of seawall

由于淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是影響海堤滑動穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，淤泥土?xí)S堤身堆載的附加應(yīng)力作用排水固結(jié)而增大抗剪強(qiáng)度，海堤規(guī)范［1］中給出了正常固結(jié)下涂面淤泥抗剪強(qiáng)度增加與固結(jié)度、堆載附加應(yīng)力之間的關(guān)系，其抗剪強(qiáng)度增加量計算值與施工過程、加載時間等均有密切關(guān)系，計算復(fù)雜。因此，本文對排水插板處理區(qū)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取0．85倍的固結(jié)快剪指標(biāo)值（即完建期固結(jié)度取85%）［2］，以簡化固結(jié)對淤泥抗剪強(qiáng)度增長的影響（見海堤規(guī)范［1］中10．2．3條）。

依據(jù)海堤設(shè)計規(guī)范［1］，海堤滑動安全系數(shù)計算公式，在瑞典條分法且等步長條分土條時，采用總應(yīng)力法計算，即

式中：K0為采用瑞典圓弧滑動總應(yīng)力法下的安全系數(shù)；W1，W2i，W3i為第i個土條浸潤線以上的土體的天然重度、浸潤線與外坡水位之間的土體的浮重度、外坡水位以下的土體的浮重度，單位：kN；αi為第i個土條底面中點(diǎn)的徑向與豎向方向夾角（°）；Φi，Ci為第i個土條底部土體的總抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，（°），單位：kPa；Bi為第i個土條的寬度，單位：m；T織物表示海堤排水插板碎石墊層下的土工材料的抗拉強(qiáng)度，單位：kN／m。

為了便于計算，將海堤斷面模型進(jìn)行了近似簡化，通過理正軟件進(jìn)行大量滑動穩(wěn)定計算，可知：①海堤滑動圓弧中心角一般為90°～135°；②滑動圓弧起點(diǎn)一般在堤頂附近；③海堤高度H越大，淤泥抗剪強(qiáng)度越?。ㄆ涮烊缓吭酱螅?，則海堤滑動范圍越大，即滑動半徑越大，其鎮(zhèn)壓平臺需越寬才能保證海堤滑動穩(wěn)定安全，此時，海堤斷面總寬度也就越大。

依據(jù)海堤設(shè)計規(guī)范［1］，分析海堤抗滑安全系數(shù)與滑動圓弧半徑之間關(guān)系。本次計算取海堤頂寬b1＝6 m，海堤一級平臺寬b2＝15 m，拋石重度γ＝19 kN／m3，淤泥重度γ＝17 kN／m3，海堤高度H分別取6，8，10，12，14 m，淤泥層天然物理力學(xué)指標(biāo)為（其中抗剪強(qiáng)度根據(jù)本文擬合公式（1）和公式（2）計算，后文將再根據(jù)實(shí)際抗剪強(qiáng)度修正處理）：①w＝45%，c＝9．8 kPa，φ＝6．7°；②w＝50%，c＝7．7 kPa，φ＝5．2°；③w＝55%，c＝6．1 kPa，φ＝4．1°；④w＝60%，c＝4．9 kPa，φ＝3．2°。通過理正軟件計算得瑞典圓弧法下，海堤最危險滑動安全系數(shù)與滑動半徑及淤泥層物理力學(xué)參數(shù)之間關(guān)系曲面，見圖4。

圖4 海堤滑動安全系數(shù)與滑動半徑及堤高關(guān)系Fig．4 Relations among sliding safety coefficient，sliding radius and seawall height（w ith different natural water contents of silt）

通過圖4可知，在淤泥含水量越大（抗剪強(qiáng)度越?。?、海堤越高，則海堤最危險滑動圓弧就越大。依據(jù)海堤規(guī)范［1］中10．2．3條滑動安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，本文給出海堤在滿足最小滑動安全系數(shù)下的滑動圓弧半徑R與海堤高H及淤泥天然物理力學(xué)指標(biāo)之間的關(guān)系曲線圖，見圖5。

圖5 海堤最不利滑動圓弧半徑與堤高關(guān)系Fig．5 Relations between the radius of themost unfavorable slip circle and the seawall height

通過曲線擬合軟件“CurveExpert 1．3”擬合，得海堤高H、最不利滑動半徑R與淤泥含水量w之間的二元關(guān)系為

式中：參數(shù)H為海堤高（m）；w為淤泥層天然含水量（%）；R為海堤最危險滑動半徑（m）。

但實(shí)際工程中，同一含水量的淤泥其抗剪強(qiáng)度有一定波動，基于此，在淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c，φ波動時，對海堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響的簡化敏感性進(jìn)行了分析。由于海堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)是淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c，φ的多元函數(shù)，在分析其中一個變量的敏感性時一般取其他變量暫為定值，以便簡化，因此本文取淤泥天然物理力學(xué)參數(shù)為w＝50%（相對常見），c0＝7．7 kPa，φ＝5．2°，分別對淤泥凝聚力、內(nèi)摩擦角進(jìn)行敏感分析：①在淤泥內(nèi)摩擦角φ0＝5．2°時，分別取凝聚力c變化率為50%，75%，100%，125%，150%；②在淤泥凝聚力c＝7．7 kPa時，分別取內(nèi)摩擦角φ變化率為50%，75%，100%，125%，150%。分析海堤最不利滑動半徑隨其淤泥抗剪強(qiáng)度變動的敏感性，見圖6，可見當(dāng)海堤高度固定、淤泥層內(nèi)摩擦角固定而凝聚力減小時，海堤最危險滑動半徑R則增大；當(dāng)海堤高度固定、淤泥層凝聚力固定而內(nèi)摩擦角減小時，海堤最危險滑動半徑R也相應(yīng)增大。

通過對圖6分析得，同樣變化率下內(nèi)摩擦角對海堤最危險滑動半徑R的影響比凝聚力影響大，因此，本文認(rèn)為內(nèi)摩擦角對海堤抗滑安全系數(shù)的影響比凝聚力的影響更敏感。

通過曲線擬合軟件“CurveExpert 1．3”分析淤泥凝聚力、內(nèi)摩擦角對海堤最危險滑動半徑即公式（4）的修正，從而得到考慮淤泥抗剪強(qiáng)度波動后的最危險滑動半徑。

圖6 淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對海堤最不利滑動圓弧半徑的敏感分析Fig．6 Results of sensitive analysis on the impact of silt’s shear strength on the radius of themost unfavorable slip circle

式中淤泥抗剪強(qiáng)度修正參數(shù)由圖6擬合得：kc＝0．31 c＋0．69；k＝0．77φ＋0．23。其中參數(shù)c，φ

cφφww

w

w為本文擬合公式（1）、公式（2）計算得經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)；c，φ為淤泥實(shí)際快剪強(qiáng)度指標(biāo)，其它參數(shù)同公式（4）。

本文公式（5）是在假設(shè)淤泥層厚度充分大時得

R計算公式為到的，但實(shí)際工程中淤泥層可能深度小于公式（5）中圓弧半徑滑動范圍，此時需對海堤滑動半徑進(jìn)行適當(dāng)修正。

根據(jù)公式（5），可定義淤泥的臨界深度為

式中：R由公式（5）計算；參數(shù)h0為海堤子堤的高度（m）。

當(dāng)海堤淤泥層厚度大于臨界深度Lcr時，最不利滑弧在淤泥層內(nèi)部，此時淤泥層深度對海堤的滑動穩(wěn)定影響不大；當(dāng)海堤淤泥層厚度小于臨界深度Lcr時，實(shí)際最危險滑動面由淤泥層深L、及下層土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)聯(lián)合控制，實(shí)際最危險滑動半徑需對公式（5）適當(dāng)修正。

當(dāng)淤泥深度小于該臨界深度時，即L＜Lcr時，實(shí)際滑動半徑需對公式（5）進(jìn)行適當(dāng)修正，本文結(jié)合理正軟件大量計算分析，依據(jù)含水量關(guān)系進(jìn)行線性修正，修正后的海堤最不利滑動半徑與海堤高、淤泥抗剪強(qiáng)度之間關(guān)系如公式（7）。

式中：R修正考慮下層土影響的多層地基最危險滑動半徑（m）；w淤泥為淤泥層天然含水量（%）；w下層為下層土天然含水量（%）；L為淤泥層厚度（m）；R由公式（7）給出（m）；h0為海堤子堤的高度（m）。

由此導(dǎo)出海堤寬度為

將公式（5）、公式（7）代入公式（8）得海堤斷面建議寬度為

為了驗(yàn)證本文公式（9）和公式（10），本文對工程實(shí)際進(jìn)行了驗(yàn)證計算，見表2。由表2可知，本文公式比工程實(shí)際設(shè)計值稍小，但基本一致，可見本文公式（9）、公式（10）是合理可行的。

4 結(jié) 語

本文對采用排水插板排水固結(jié)法進(jìn)行基礎(chǔ)處理的深淤泥海堤大斷面寬度進(jìn)行了深入研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）通過大量淤泥物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計得出了淤泥抗天然抗剪強(qiáng)度與天然含水量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并給出了經(jīng)驗(yàn)擬合公式。

（2）基于理正軟件，通過大量計算，分析了大斷面海堤寬度B與堤高H、淤泥層天然抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、淤泥層厚度之間的關(guān)系，并得出了大斷面海堤寬B的計算公式，通過實(shí)際工程進(jìn)行檢驗(yàn)計算，得出本文公式與實(shí)際工程基本吻合。

表2 本文海堤寬度經(jīng)驗(yàn)計算公式與工程實(shí)際設(shè)計比較Table 2 Comparison between the w idths calculated by the empirical formula in this paper and the actual engineering design values

（3）對海堤滑動安全系數(shù)隨淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化關(guān)系進(jìn)行了敏感分析，認(rèn)為內(nèi)摩擦角對海堤抗滑安全系數(shù)的影響比凝聚力的影響更敏感。

（4）提出了淤泥層的臨界深度Lcr，當(dāng)海堤淤泥層厚度大于臨界深度Lcr時，最不利滑弧在淤泥層內(nèi)，可按單淤泥層地基滑動穩(wěn)定理論計算，此時淤泥層深度對海堤的滑動穩(wěn)定影響不大；當(dāng)海堤淤泥層厚度小于臨界深度Lcr時，最不利滑動面由淤泥層深L、及下層土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)聯(lián)合控制，需按多層地基滑動穩(wěn)定理論計算。

由于本次對海堤滑動安全系數(shù)計算時作了一些簡化假設(shè)，使得計算成果難免出現(xiàn)一定誤差；同時，當(dāng)海堤淤泥層深度較淺而小于臨界深度時，本文對最危險滑動半徑R的修正，主要依據(jù)淤泥層土和下層土的含水量關(guān)系進(jìn)行線性修正，未考慮下層土的實(shí)際抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的差異性影響?；谝陨喜蛔?，筆者將對該問題進(jìn)行深入研究。

［1］ SL435—2008．海堤工程設(shè)計規(guī)范［S］．北京：中國水利水電出版社，2009．（SL435—2008．Specification for the Design of Seawall Project［S］．Beijing：China Water Power Press，2009．（in Chinese））

［2］ 浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定（上、下冊）［S］．杭州：浙江省水利廳，1999．（Specification of Zhejiang Seawall Engineering［S］．Hangzhou：Zhejiang ProvincialWater Resources Bureau，1999．（in Chinese））

［3］ 浙江省水利水電勘測設(shè)計院．浙江省溫州市龍灣二期圍涂工程初步設(shè)計報告［R］．杭州：浙江省水利水電勘測設(shè)計院，2010．（Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-Electric Power．Preliminary Design Report for the Longwan Phase-II Enclosed Tideland in Wenzhou，Zhejiang［R］．Hangzhou：Zhejiang Design Institute ofWater Conservancy and Hydro-Electric Power，2010．（in Chinese））

［4］ 浙江省水利水電勘測設(shè)計院．浙江省溫州市毆飛一期圍涂工程可行性研究報告［R］．杭州：浙江省水利水電勘測設(shè)計院，2011．（Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-Electric Power．Preliminary Design Report for the Oufei Phase-I Enclosed Tideland in Wenzhou，Zhejiang［R］．Hangzhou：Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-Electric Power，2011．（in Chinese））

［5］ 毛昶熙，段祥寶，毛佩郁，等．海堤結(jié)構(gòu)型式及抗滑穩(wěn)定性計算分析［J］．水利學(xué)報，1999，（11）：30－37．（MAO Chang-xi，DUAN Xiang-bao，MAO Pei-yu，etal．Analysis on Structural Shape of Sea Dyke and Its Sliding Stability［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1999，（11）：30－37．（in Chinese））

［6］ 陳善民，周洪峰，孟松兔，等．海堤工程軟基土工布加筋的抗滑作用分析［J］．巖土力學(xué)，2003，24（4）：661－665．（CHEN Shan-min，ZHOU Hong-feng，Meng Song-tu，et al．Stability Analysis of Seawall Built on Soft Subgrade Reinforced by Geotextile［J］．Rock and Soil Mechanics，2003，24（4）：661－665．（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Prelim inary Study on the Relation Between Cross Section Structure and Sliding Stability of Seawallw ith Deep Silt Foundation

HUANG Chao-xuan，F(xiàn)ANG Yong-lai，YUANWen-xi
（Zhejiang Design Institute ofWater Conservancy and Hydro-Electric Power，Hangzhou 310002，China）

The width of cross section of seawallwith deep silt foundation treated by drainage and solidification was investigated in depth．By statistical regression analysis on the physical-mechanical parameters of silt in coastal areas of Zhejiang province，the empirical relationship between the natural shear strength and naturalwater content of silt was obtained．On the basis of sliding stability calculation，the relations among thewidth B and height H of the seawall，the natural shear strength index of silt-seam，and the thickness of silt-seam were analyzed．The formula of seawall’s totalwidth B totalwas also gained．Verification showed that the result of the formula was consistentwith the actual project．In addition，sensitive analysis was carried out to research the variation of sliding safety coefficient against the change of silt shear strength．Itwas found that the impact of internal friction angle on anti-sliding coefficientwas larger than that of cohesive force．

sliding stability of seawall；shear strength of silt；natural water content of silt；critical depth of silt；

TV447

A

1001－5485（2013）02－0062－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．013

2011－12－26；

2012－04－24

黃朝煊（1983－），男，湖北黃石市人，工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程研究，（電話）13819483276（電子信箱）516227811＠qq．com。

bottom width of seawall