地形測量在海堤滑動(dòng)勘察中的應(yīng)用研究

高梓旺，馬希磊，楊 玲

（1.天津市津堪巖土工程股份有限公司，天津300191；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

當(dāng)充填袋式防波堤受外力作用發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，通常有以下3 種破壞形式［1］。

圖1 沿硬層頂面滑動(dòng)Fig.1 Sliding along top surface of hard layer

圖2 沿充填袋頂面滑動(dòng)Fig.2 Sliding along top surface of geotextile pack

圖中Pa為主動(dòng)土壓力；TT為筋材拉力；PP為被動(dòng)土壓力；FB為沿筋材表面的摩擦力；Wi為土條重力；bi為土條寬度。

當(dāng)防波堤滑動(dòng)后，需判斷滑動(dòng)類型，以便正確確定后續(xù)處理方案。由于滑動(dòng)后存在軟弱結(jié)構(gòu)面，傳統(tǒng)方法一般采用鉆孔取土或現(xiàn)場原位測試方法，通過巖土參數(shù)的比較找尋滑動(dòng)面，以確定滑動(dòng)類型。本文通過對(duì)媽祖經(jīng)貿(mào)園外圍海堤滑動(dòng)案例的勘察和分析，采用地形測量的方法對(duì)滑動(dòng)類型和滑動(dòng)原因進(jìn)行判斷和分析，取得了較好的效果。

圖3 深層滑弧滑動(dòng)Fig.3 Deep circular sliding

1 工程概況

媽祖經(jīng)貿(mào)園外圍海堤工程位于渤海灣西部的天津港北部海域，漢沽區(qū)營城鎮(zhèn)蔡家堡村灘涂海域，東臨天津中心漁港，南至渤海。西鄰航母主題公園圍海外海堤，北臨海濱大道。本工程海堤沿規(guī)劃道路內(nèi)邊線進(jìn)行布置，新建海堤總長約3 265 m，其中北側(cè)堤長約1 133 m，東側(cè)堤長約1 061 m,南側(cè)堤長約1 071 m。海堤采用袋裝砂被和塑料排水板的地基處理方式，塑料排水板長度10 m，正方形布置，間距1.2 m。堤體結(jié)構(gòu)采用袋裝砂棱體，袋裝砂棱體與吹填堤心砂緊密結(jié)合，交叉同步施工。海堤水面上全面展開，層層推進(jìn)，及時(shí)保護(hù)。斷面圖如圖4 所示。

圖4 堤體斷面圖Fig.4 Cross-sectional view of breakwater

圖5 滑動(dòng)后堤體平面圖Fig.5 Planar graph of breakwater after sliding

2012 年10 月30 日（陰歷9 月16 日）夜間22：30 時(shí)，海堤南側(cè)S0+000-S0+270 范圍堤體發(fā)生水平滑移，變形范圍約270 m，向外側(cè)發(fā)生變形，變形段最大側(cè)向變形32.6 m。并在S0+030 和S0+90 處形成兩處缺口，分析為堤體滑動(dòng)位移較大，導(dǎo)致袋體撕裂破壞所致。發(fā)生滑移時(shí)S0+000-S0+270 范圍內(nèi)正在進(jìn)行袋裝砂棱體施工，施工標(biāo)高為+4.0，滑動(dòng)時(shí)堤體高度為6.5～7.0 m?；瑒?dòng)后堤體平面圖如圖5 所示。

2 工程地質(zhì)條件

表1 地層巖性特征及土層分布規(guī)律表Tab.1 Stratigraphic and lithologic characteristics and distribution of soil

3 滑動(dòng)后的地形測量及分析

3.1 地形測量方法

為了分析堤體滑移的原因及指導(dǎo)后續(xù)加固方案的設(shè)計(jì)和施工，對(duì)滑動(dòng)段進(jìn)行了探摸工作。探摸工作主要包括兩部分內(nèi)容［2］：

（1）斷面釬探。每間隔30 m 進(jìn)行斷面探摸，與地形測量斷面一致。探摸采用釬探法，選擇在低潮水時(shí)，由技術(shù)人員乘坐橡皮艇采用釬探桿按橫向間距0.5 m 進(jìn)行探摸，以確定滑動(dòng)后原堤體下是否仍有砂棱體存在及砂棱體輪廓線位置。

（2）地形測量。水下地形測量采用美國Odom Hydrotrac 型單頻測深儀進(jìn)行測量。測量精度為0.01 m，測量誤差為H×5‰±0.05 m（H 為水深值）；堤身地形測量采用Trimble R6 GPS 進(jìn)行測量。

變形段：每30 m 間隔進(jìn)行斷面測量，包括滑移段的堤身、堤身兩側(cè)各50 m 范圍，以了解滑移后周邊地形變化情況。

其他堤段：每50 m 斷面測量，測量范圍為堤頂內(nèi)邊線兩側(cè)各50 m 范圍。

3.2 測量結(jié)果分析

圖6 地形測量平面圖（1:1 000）Fig.6 Planar graph of topographic survey (1:1 000)

圖7 各滑動(dòng)斷面水深圖(1:200)Fig.7 Bathymetric chart of each sliding section(1:200)

3.2.1 釬探結(jié)果分析

通過現(xiàn)場釬探，S0+060、S0+090、S0+120、S0+150 四個(gè)斷面在原堤體位置均存在砂棱體，滑動(dòng)后袋裝砂棱體邊線與設(shè)計(jì)砂棱體外輪廓線位置基本一致，實(shí)際袋裝砂棱體外輪廓線已在“水深及探摸平面圖”（圖5）中標(biāo)出。

根據(jù)探摸的實(shí)際堤體內(nèi)側(cè)袋裝砂棱體所處位置，并結(jié)合水深測量數(shù)據(jù)繪制了地形測量平面圖（圖6），對(duì)比堤體內(nèi)側(cè)探摸的實(shí)際袋裝砂棱體外輪廓線與設(shè)計(jì)袋裝砂棱體外輪廓線可知：兩條曲線相差不大，基本吻合，相差最大處在S0+000 處，實(shí)際袋裝砂棱體外輪廓線比設(shè)計(jì)的外輪廓線向堤體內(nèi)側(cè)偏了3.2 m。此結(jié)果說明雖然堤體向外側(cè)發(fā)生了滑移，但在設(shè)計(jì)袋裝砂棱體外輪廓線附近仍有袋裝砂棱體存在，各滑動(dòng)斷面水深圖（圖7）也較好的印證了這一點(diǎn)。

3.2.2 地形測量結(jié)果分析

選取了滑移量較大的S0+030、S0+060、S0+090、S0+120 四個(gè)斷面進(jìn)行了水深斷面圖（圖7）的繪制及分析（高程基面：天津港理論最低潮面），通過地形測量平面圖和各滑動(dòng)斷面水深圖可以得到以下信息：（1）通過比較設(shè)計(jì)堤頂內(nèi)側(cè)線與滑移后實(shí)際堤頂內(nèi)側(cè)線，可以從斷面圖5 中得出四個(gè)斷面的滑移量分別為：3.23 m、26.26 m、32.60 m、28.79 m。（2）砂棱體滑動(dòng)后的殘留面（斷面圖中為堤體內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)袋裝砂棱體外輪廓線至滑動(dòng)后堤底內(nèi)側(cè)線范圍）基本為一平面，S0+030 斷面、K0+60 斷面、K0+90 斷面、K0+120 斷面的殘留面最大高差分別為0.2 m、1.0 m 、0.9 m、0.3 m。（3）堤體外側(cè)基本為一平面，高差均在0.3m 范圍之內(nèi)。（4）設(shè)計(jì)袋裝砂棱體外輪廓線內(nèi)外兩側(cè)存在高差，平均高差0.4 m 左右。此位置與現(xiàn)場釬探所得滑動(dòng)后砂棱體外輪廓線位置基本一致。

3.2.3 地形測量結(jié)論

堤體圓弧滑動(dòng)具備以下3 個(gè)特點(diǎn)：（1）滑動(dòng)面為圓弧面，滑動(dòng)后堤體軸線應(yīng)為一弧線。（2）滑動(dòng)后內(nèi)側(cè)應(yīng)有滑動(dòng)切入點(diǎn)；外側(cè)應(yīng)有溢出點(diǎn)，也即隆起點(diǎn)。（3）滑動(dòng)后堤體內(nèi)側(cè)至滑動(dòng)切入點(diǎn)之間會(huì)形成一斜面。平滑具有以下4 個(gè)特點(diǎn)：（1）滑動(dòng)面為平面，滑動(dòng)后堤體軸線為一不規(guī)則折線；（2）滑動(dòng)后外側(cè)不形成隆起；（3）滑動(dòng)后堤體內(nèi)側(cè)至滑動(dòng)切入點(diǎn)之間形成一平面；（4）滑動(dòng)后，有時(shí)會(huì)留下與原堤體軸線平行的一段堤體［3］。

通過對(duì)地形測量平面圖（圖6）和各滑動(dòng)斷面水深圖（圖7）及現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，可以總結(jié)此次堤體滑移具有以下特點(diǎn)：（1）滑動(dòng)后堤體軸線為一折線；（2）滑動(dòng)后內(nèi)側(cè)未找到滑動(dòng)切入點(diǎn)，外側(cè)未找到滑動(dòng)溢出點(diǎn)；（3）滑動(dòng)后堤體內(nèi)側(cè)為一平面，且有砂棱體存在；（4）滑動(dòng)后在滑動(dòng)段中間位置形成一段仍與原堤體軸線平行的堤體；至此可初步判斷此次滑動(dòng)不符合圓弧滑動(dòng)的特征。此次滑動(dòng)應(yīng)為沿底層砂棱體表面發(fā)生的平滑，中間位置先發(fā)生平滑，兩側(cè)堤體在中間堤體的牽引作用下發(fā)生滑動(dòng)，由于中間堤段和兩側(cè)堤段存在滑動(dòng)位移的差異，在中間堤段兩側(cè)發(fā)生剪切作用，并最終在滑動(dòng)距離最大堤段兩側(cè)形成對(duì)稱的兩處缺口。

分析滑動(dòng)原因?yàn)?，滑?dòng)時(shí)正值大潮時(shí)期（陰歷9 月16 日），晚上22：30 分為最枯潮，潮高為81 cm，而當(dāng)天最高潮位為372 cm，最高潮和最低潮相差291 cm。由于潮汐作用導(dǎo)致堤體內(nèi)外產(chǎn)生較大水位差，而滑動(dòng)段處于整個(gè)區(qū)域的陰角位置，且距離排水口較遠(yuǎn)，退潮時(shí)，海水排出不及時(shí)，堤體內(nèi)外產(chǎn)生極限水位差，堤體在內(nèi)外水位差的推力作用下，沿底層砂棱體表面發(fā)生平滑［4］。

圖8 （S0+150）斷面深層水平位移曲線圖Fig.8 Horizontal displacement of deep soil (S0+150)

4 監(jiān)測結(jié)果分析

滑動(dòng)段內(nèi)S 0+150 處設(shè)有一監(jiān)測斷面，通過對(duì)10 月30 日之前的深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析［5］（圖8），可以看出，堤體滑動(dòng)前一段時(shí)間，深層水平位移變化量較小，在5 mm/d 的限差范圍之內(nèi)［6］，此事實(shí)可說明堤體發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)前深層土體并未發(fā)生大的變化，以此可認(rèn)為深層土體在滑動(dòng)前并未發(fā)生過大塑性變形，深層土體是穩(wěn)定的，此結(jié)果與地形測量結(jié)果所得到的結(jié)論相吻合，說明地形測量所得結(jié)論是合理的。

5 結(jié)論建議

通過對(duì)媽祖經(jīng)貿(mào)園外圍海堤工程滑動(dòng)后的地形測量，通過對(duì)地形數(shù)據(jù)的分析總結(jié)，正確的判斷了此次滑動(dòng)的滑動(dòng)類型，確定了滑動(dòng)原因，為下一步制定正確的施工補(bǔ)救措施提供了可靠的數(shù)據(jù)資料。用地形測量的方法進(jìn)行海堤滑動(dòng)勘察方法實(shí)用可行。通過對(duì)此次海堤滑動(dòng)的勘察分析，在下一步的充填袋結(jié)構(gòu)海堤的施工過程中提出以下建議［7-8］：

（1）將排水口設(shè)計(jì)成上下多排的形式，可通過開、堵上下排水口，隨施工進(jìn)程調(diào)整排水能力。

（2）由于工期較長，下層充填砂棱體和上層充填砂棱體存在較長的施工間隙，在上層充填砂棱體未施工之前會(huì)在下層充填砂棱體上淤積一層薄泥。造成兩層砂棱體之間的摩擦系數(shù)降低，增加滑動(dòng)的可能性。建議在下一步的施工中，在上層砂棱體未施工前先采用水沖等方式將下層砂棱體上的淤泥層清除掉。

（3）如果充填砂棱體的充填料含泥量較高，應(yīng)適當(dāng)延長兩層砂棱體施工的間隔時(shí)間，待下層砂棱體充分密實(shí)后，再吹填上層砂棱體。

（4）外側(cè)護(hù)面及時(shí)進(jìn)行護(hù)面土工布鋪設(shè)和進(jìn)行拋石反壓。

［1］劉宗耀,楊燦文,王正宏，等. 土工合成材料應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［2］金德鋼.小獅子口海堤的滑動(dòng)原因和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2001,21（3）：46-48.

［3］毛昶熙,段祥寶,毛佩郁,等.海堤結(jié)構(gòu)形式及抗滑穩(wěn)定性計(jì)算分析［J］.水利學(xué)報(bào)，1999（11）：30-37.MAO C X ,DUAN X B,MAO P Y,et al.Analysis on structural shape of sea dyke and its sliding stability［J］.Journal of Hydraulic Engineering,1999（11）: 30-37.

［4］陳曉平,黃井武,張黎明,等.軟基海堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究［J］.巖土力學(xué)，2007,28（12）：2 495-2 500.CHEN X P,HUANG J W,ZHANG L M,et al.Stability study for coastal levee on soft foundation［J］.Rock and Soil Mechanics,2007,28（12）:2 495-2 500.

［5］李榕波,董志良,吳中.防波堤袋裝砂軟基處理及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析［J］.水運(yùn)工程，2006（5）：84-88.LI R B,DONG Z L,WU Z.Treatment of Sand-bagged Soft Foundation for Breakwater and Analysis of Monitoring Data［J］.Port and Waterway Engineering,2006（5）:84-88.

［6］盛利,趙長偉,諸葛愛軍.工程監(jiān)測分析在大型充灌袋式防波堤工程中的應(yīng)用［J］.中國港灣建設(shè)，2006（1）：43-45.SHENG L,ZHAO C W,ZHU GE A J.Application of Engineering Monitoring and Analysis for A Breakwater with Core Made of Large Geotextile Containers with Fill［J］.China Harbour Engineering,2006（1）:43-45.

［7］王吉茂,仇志清,王掌權(quán).某海底深層滑動(dòng)的加固處理［J］.浙江水利科技，2008（4）：85-88.

［8］劉敏.海堤加固整治工程設(shè)計(jì)探討［J］.科技資訊, 2008（10）: 24-25.