某海堤與水閘連接段粉砂質(zhì)地基處理方式研究

劉建飛 任紅俠

摘要：海堤與水閘的地基處理方式及上部荷栽差異顯著，兩者極易產(chǎn)生不均勻沉降，嚴(yán)重影響其自身安全及減災(zāi)效益的充分發(fā)揮，急需研究預(yù)防措施。在對(duì)浙江東部海堤和水閘進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和現(xiàn)狀分析后，選取粉砂質(zhì)地基上的典型海堤和水閘，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，計(jì)算海堤與水閘連接段采用3種不同地基處理方式后海堤、水閘及其連接段的沉降值及其沉降差。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步比較和分析后發(fā)現(xiàn)，海堤與水閘連接段粉砂質(zhì)地基處理時(shí)，水閘相連端與水閘地基處理方式相同，海堤相連端與海堤地基處理方式相同，中間段地基沿連接段長(zhǎng)度方向從水閘地基處理方式漸變?yōu)楹５痰鼗幚矸绞?，可?shí)現(xiàn)地基承載力和剛度的漸進(jìn)變化，減小海堤與水閘之間的不均勻沉降。

關(guān)鍵詞：粉砂質(zhì)地基;海堤與水閘連接段;地基處理;數(shù)值模擬;不均勻沉降

中圖分類號(hào)：TV871

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.029

1 引言

浙江東部（以下簡(jiǎn)稱“浙東”）沿海上虞到慈溪北部廣泛分布著粉砂土。粉砂土是工程建設(shè)時(shí)經(jīng)常遇到的一種土，由于粉砂土地基處理的效果直接影響其上建筑物的安全，因此工程技術(shù)人員對(duì)粉砂土地基加固處理問(wèn)題進(jìn)行了一系列探討。俞偉[1]針對(duì)某擬建水閘，利用有限元法模擬分析其地基加固方案，為設(shè)計(jì)提供參考;王濤等[2]利用ABAQUS軟件計(jì)算某水閘地基采用振沖碎石樁加固處理前后的沉降值，分析粉砂土地基的沉降規(guī)律;余錦地等[3-4]研究發(fā)現(xiàn)采用無(wú)填料振沖擠密法分別處理典型閘站和海堤粉砂土地基能顯著增加其密實(shí)度和承載力，減小因地基密實(shí)度不足而導(dǎo)致的沉降，效果較為理想，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。工程技術(shù)人員對(duì)粉砂土地基上修建的單一建筑物不均勻沉降研究較多，也取得了預(yù)期的效果，但有關(guān)相鄰建筑物之間不均勻沉降的研究相對(duì)較少，尤其是海堤和水閘，通常采用不同的地基處理方式，且上部荷載差異較大，普遍會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。這一問(wèn)題與公路和橋梁之間產(chǎn)生的不均勻沉降相似，工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)大量研究和實(shí)踐后提出采取泡沫輕質(zhì)土[5-6]、泡沫混凝土[7]、樁承式加筋路堤與路堤填土加筋技術(shù)[8-10]等處理橋梁臺(tái)背過(guò)渡段，公路和橋梁之間設(shè)置過(guò)渡搭板[11]以及變化樁長(zhǎng)的樁體處理公路和橋梁過(guò)渡段地基[12-15]等預(yù)防措施，可供借鑒。

公路和橋梁之間產(chǎn)生的不均勻沉降與海堤和水閘（以下簡(jiǎn)稱“堤閘”）之間產(chǎn)生的不均勻沉降，成因是相同的，但由于后者往往地質(zhì)條件更差，處理難度更大，產(chǎn)生不均勻沉降后的危害更大，因此對(duì)其預(yù)防措施的要求更高[16]。

通過(guò)多年的調(diào)查與研究，我們發(fā)現(xiàn)這種不均勻沉降進(jìn)一步發(fā)展會(huì)導(dǎo)致堤閘連接段發(fā)生裂縫和漏水險(xiǎn)情，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致其上建筑物失穩(wěn)，危及海堤、水閘自身安全及其防御風(fēng)暴潮作用的充分發(fā)揮。目前這一問(wèn)題還處于初步研究階段，且主要針對(duì)淤泥質(zhì)地基上修建的海堤和水閘，其解決思路是在堤閘結(jié)合處設(shè)置過(guò)渡段（即連接段）.在連接段采取有針對(duì)性的地基加固方式、優(yōu)化海堤斷面型式、選用部分輕質(zhì)筑堤材料代替土石料[17]以及合理的堤閘連接方式等措施[17-18]，有關(guān)粉砂質(zhì)地基上修建的海堤和水閘研究較少。

前期研究已發(fā)現(xiàn)堤閘連接段地基加固方式是影響其不均勻沉降的主要因素[19]。筆者以典型粉砂質(zhì)地基上的海堤、水閘及其連接段為研究對(duì)象，結(jié)合海堤、水閘及其連接段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)典型工程地質(zhì)條件分析和地層等效與概化，利用FLAC3D軟件構(gòu)建數(shù)值模擬模型，分別模擬了3種堤閘連接段地基加固方式，計(jì)算對(duì)應(yīng)的水閘、海堤和連接段在工后10 a內(nèi)的沉降值及其沉降差。對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行比較分析，選擇粉砂質(zhì)地基上堤閘連接段最理想的地基加固方式，探討減小其差異沉降的途徑。

因?yàn)榈涕l連接段地基承載力和剛度的突變是產(chǎn)生不均勻沉降的主要原因，所以提出堤閘連接段采用變剛度地基處理技術(shù)。該技術(shù)可以解決堤閘連接段變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)水閘一連接段一海堤之間地基承載力和剛度的漸進(jìn)變化，為新建或改建堤閘連接段提供技術(shù)指導(dǎo)，避免堤閘連接段發(fā)生嚴(yán)重的不均勻沉降及由此導(dǎo)致的災(zāi)害。

2 工程概況

浙江省寧波市某圍涂工程包括兩段總長(zhǎng)29? 164 m的圍堤和4座排澇閘，圍區(qū)總面積為7 080 hm2。該工程為Ⅲ等工程，海堤及沿線水閘為3級(jí)建筑物，防潮標(biāo)準(zhǔn)都是50 a一遇設(shè)計(jì)、100 a一遇校核。筆者以其中一段海堤、一座水閘及其連接段為研究對(duì)象，該水閘為中型水閘，設(shè)計(jì)過(guò)閘流量為280 m3/s，7孔x4 m.閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)15.7 m.交通橋面高程為6.63 m。

工程區(qū)所處的大地構(gòu)造單元為華南褶皺系，浙東南褶皺帶的新昌一定海斷隆區(qū)。浙江東部的華夏系構(gòu)造是該區(qū)古構(gòu)造的重要基礎(chǔ)，構(gòu)成了該區(qū)的主要構(gòu)造格架[20]。該區(qū)附近的斷裂主要有麗水一余姚深斷裂和昌化一普陀大斷裂。從構(gòu)造活動(dòng)性和地震活動(dòng)性分析，該區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性屬于穩(wěn)定。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（ GB 18306-2015），其地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，基本烈度為Ⅵ度。在海涂中地層巖性屬海相或沖海相沉積，由黃灰或灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)黏土、黏土等組成，其表層被第四系松散堆積物所覆蓋。

該工程地質(zhì)條件比較典型，其地基土層可分為3個(gè)地質(zhì)層、9個(gè)亞層，如圖1所示，自上而下各土層分述如下：I層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰色，飽和，流塑狀，全區(qū)分布，層厚0.1- 1.5 m;Ⅱ。層砂質(zhì)粉土，黃灰色，飽和，稍密一中密狀，含云母碎片及少量有機(jī)質(zhì)，局部為黏質(zhì)粉土，全區(qū)分布，層厚1.0-4.2 m;Ⅱ，層砂質(zhì)粉土，黃灰色，飽和，中密狀為主，含云母碎片，全區(qū)分布，層厚2.9 - 11.5 m;Ⅱ，層砂質(zhì)粉土，灰色或灰綠色，飽和，稍密一中密狀，含云母碎片，土質(zhì)不均勻，局部為黏質(zhì)粉土，全區(qū)均有分布，層厚3.2 - 7.6 m;Ⅱ，層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂，灰色，飽和，軟塑狀，土質(zhì)均勻，工程區(qū)均有分布，層厚0.5 -7.5 m;Ⅲ.層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰色，飽和，流塑狀，厚層狀，土質(zhì)不均，局部夾有薄層狀粉土，全區(qū)分布，層厚1.0 - 12.7 m;Ⅲ：層淤泥質(zhì)黏土，灰色，飽和，流塑狀，厚層狀，全區(qū)分布，土質(zhì)不均，層厚1.0-13.0 m;Ⅲ，層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰色，飽和，流塑狀，全區(qū)分布，土質(zhì)不均，層厚1.4 - 12.3 m;Ⅲ。層淤泥質(zhì)黏土，灰色，飽和，流塑狀，厚層狀，全區(qū)分布，層厚1.6 - 11.9 m。

該工程水閘地基加固方式為開(kāi)挖至符合設(shè)計(jì)要求的持力層再壓實(shí)回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高，上下游翼墻為鋼筋混凝土扶臂式擋墻，翼墻地基采用中徑0.16 m的松木樁加固，樁間距1.0 m，樁長(zhǎng)4.0 m，梅花形布置;海堤地基采用雙向土工格柵、編織布及石渣墊層加固，連接段地基加固方式與海堤地基相同。工程建成5a后，連接段與水閘的沉降差達(dá)387.5 mm.連接段出現(xiàn)兩條裂縫，總長(zhǎng)18.0 m，裂縫最大深度550 mm，平均深度320mm，裂縫最大寬度15 mm.平均寬度12 mm，下游右岸翼墻與水閘連接處有滲水。初步分析是堤閘連接段不均勻沉降導(dǎo)致水閘側(cè)向防滲系統(tǒng)破壞所致，說(shuō)明堤閘連接段地基加固處理效果不理想。為避免出現(xiàn)類似情況，筆者重點(diǎn)研究堤閘連接段地基加固方式對(duì)其不均勻沉降的影響。為便于對(duì)比，堤閘連接段地基分別采用與海堤地基相同加固方式（工況1）、與水閘地基相同加固方式（工況2）、從水閘地基加固方式漸變?yōu)楹５痰鼗庸谭绞剑ür3：開(kāi)挖后再壓實(shí)回填至海涂面，即開(kāi)挖堤閘連接段地基時(shí)，與水閘連接部位的開(kāi)挖深度同水閘地基開(kāi)挖深度一樣，與海堤連接部位可不開(kāi)挖，中間部分開(kāi)挖深度沿連接段長(zhǎng)度方向按比例逐漸減小）等3種方式。

3 計(jì)算分析模型

3.1 建立模型

將浙東粉砂質(zhì)地基上典型的海堤、水閘及其連接段作為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)勘察資料，確定地基的地層及其厚度，進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分，輸入土體參數(shù)及其他相關(guān)土力學(xué)參數(shù)，包括黏聚力、內(nèi)摩擦角、滲透系數(shù)、密度等。針對(duì)海堤、水閘及其連接段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及連接段3種不同的地基加固方式，利用FLAC3D軟件，建立與工程實(shí)體尺寸完全相同的海堤、水閘及其連接段的數(shù)值模擬計(jì)算分析模型。在地基受力面逐級(jí)施加荷載，然后向模型施加邊界條件。計(jì)算和分析堤閘連接段地基采用3種不同方式加固后，海堤、水閘及其連接段的工后沉降值及其沉降差、不均勻沉降與建成時(shí)間的關(guān)系。

根據(jù)典型工程堤閘處海堤橫斷面圖（如圖2所示）、水閘設(shè)計(jì)圖（如圖3、圖4所示）和工程地質(zhì)資料，部分簡(jiǎn)化處理后建立模型，其幾何尺寸為：寬68.0 m（X方向，海堤橫斷面方向），長(zhǎng)38.0 m（Y，方向，海堤縱斷面方向），高46.3 - 55.0 m（Z方向，沿海堤高度方向），水閘處海堤頂高程為6.63 m，計(jì)算地基厚度為40.0 m，共9層，涵蓋了海堤以下可能的壓縮層。海堤長(zhǎng)5.0 m，連接段長(zhǎng)15.0 m，水閘寬18.0 m（取一半）。

在施工過(guò)程模擬和完工后模擬時(shí).3種工況均設(shè)置了4個(gè)相同的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為：海堤沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（ 24. 50，4.00，6.30），連接段沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)1（ 24.50，7.00，6.30），連接段沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)2（24. 50，18.00，6.30），水閘沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（24.50，21.00，6.30），監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。

3.2 計(jì)算參數(shù)

模型計(jì)算所需的地基土層參數(shù)見(jiàn)表1，所用材料的物理參數(shù)見(jiàn)表2。

3.3 模擬原理和步驟

在施工期及完工后，海堤和水閘的地基都會(huì)發(fā)生固結(jié)沉降。地基土體固結(jié)是一個(gè)長(zhǎng)期的流體和固體相互作用的過(guò)程，應(yīng)該考慮兩種力學(xué)效應(yīng)，一是孔隙水壓力的改變導(dǎo)致有效應(yīng)力的改變，從而影響地基土體的力學(xué)性能，如有效應(yīng)力的減小可能導(dǎo)致土體出現(xiàn)塑性屈服;二是土體中流體的變化會(huì)對(duì)土體體積變化產(chǎn)生反作用，表現(xiàn)為流體孔壓的變化，即后期沉降需要考慮流固耦合效應(yīng)，基于Biot固結(jié)理論進(jìn)行流固耦合過(guò)程模擬[16]。

運(yùn)用摩爾一庫(kù)侖（ Mohr- Coulomb）本構(gòu)模型，先考慮地基部分，位于地上部分的海堤、連接段和水閘賦予空模型。采用分階段彈塑性求解法求解天然初始應(yīng)力分布場(chǎng)，此處不考慮構(gòu)造應(yīng)力及其他影響，只考慮其初始地應(yīng)力場(chǎng)主要是由土體自重作用產(chǎn)生的，然后將節(jié)點(diǎn)的位移和節(jié)點(diǎn)的速度清零[16]。隨后，分步激活地基以上單元，以實(shí)現(xiàn)分級(jí)加載，使其接近海堤和水閘的實(shí)際施工過(guò)程，此時(shí)海堤、連接段和水閘同時(shí)堆載。堤身堆載速率根據(jù)施工時(shí)原位觀測(cè)成果及設(shè)計(jì)時(shí)制定的施工加荷速率計(jì)劃確定，以保證堤身地基及邊坡穩(wěn)定，見(jiàn)表3。

3.4 土工格柵模擬說(shuō)明

由于土工格柵具有強(qiáng)度高、延伸率低、蠕變量小、表面摩擦性好、加筋效果好、施工方便、排水效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，因此粉砂質(zhì)海堤地基（包括連接段地基）目前常采用鋪土工格柵的方法處理，發(fā)揮其加筋、反濾、隔離、協(xié)調(diào)沉降差等作用。FLAC3D程序中，每個(gè)土工格柵結(jié)構(gòu)單元的力學(xué)性能可以分成格柵材料的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和格柵構(gòu)件與網(wǎng)格的交互作用方式。默認(rèn)情況下，土工格柵構(gòu)件采用CST殼有限單元，能抵抗薄膜荷載而不能抵抗彎曲荷載[21]。土工格柵與FLAC3D網(wǎng)格發(fā)生直接的剪切摩擦作用，格柵法向方向的運(yùn)動(dòng)從屬于FLAC3D網(wǎng)格[22]。模擬過(guò)程中，土工格柵結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.5 驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果

表4匯總了連接段與海堤沉降差和連接段與水閘沉降差的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值，將兩者對(duì)比后可知，利用本計(jì)算模型預(yù)測(cè)的沉降差與實(shí)測(cè)沉降差接近，偏差率低于10%，說(shuō)明利用所建計(jì)算模型預(yù)測(cè)的沉降值（差）是合理的，尤其是對(duì)比分析不同地基處理方式的效果時(shí)，其結(jié)論是可信的。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 固結(jié)沉降分析

表5是考慮流固耦合后，計(jì)算所得10 a內(nèi)海堤、水閘及其連接段的工后沉降值?？梢钥闯觯汗r1海堤工后最終沉降值為45.00 cm，連接段工后最終沉降值為43.00 cm.水閘工后最終沉降值為1.50 cm;工況2海堤工后最終沉降值為44.50 cm.連接段工后最終沉降值為8.50 cm.水閘工后最終沉降值為1.55 cm;工況3海堤工后最終沉降值為44.80 cm.連接段監(jiān)測(cè)點(diǎn)1工后最終沉降值為35.90 cm.連接段監(jiān)測(cè)點(diǎn)2工后最終沉降值為10.56 cm，水閘工后最終沉降值為1.52cm。3種工況下海堤、水閘及其連接段沉降趨勢(shì)大體一致，建成后1-4 a內(nèi)沉降值較大，4a后沉降逐漸趨于穩(wěn)定。海堤沉降值較大，水閘沉降值較小且比較穩(wěn)定，連接段沉降值大小介于海堤沉降值和水閘沉降值之間。

4.2 不均勻沉降差分析

表6統(tǒng)計(jì)了3種工況下，不同時(shí)間段連接段與海堤的沉降差、連接段與水閘的沉降差?？梢钥闯觯汗r1連接段與海堤的最終沉降差為2.00 cm，沉降差很小，這是因?yàn)檫B接段和海堤單位面積上的豎向荷載一致，且地基處理方式一樣;而連接段與水閘的最終沉降差為41.50 cm，沉降差較大，這是因?yàn)樗l地基的處理方式是開(kāi)挖至設(shè)計(jì)要求的持力層后再分層壓實(shí)回填，地基土體后期固結(jié)沉降對(duì)其影響相對(duì)較小，而海堤及連接段地基僅用土工格柵、編織布及石渣墊層處理，地基土體后期固結(jié)沉降對(duì)其影響相對(duì)較大;工況2連接段與水閘的最終沉降差為6.95 cm，沉降差較小，這是因?yàn)閮烧叩鼗幚矸绞揭粯?，盡管連接段和海堤單位面積上的豎向荷載一致，但地基處理方式不同導(dǎo)致兩者產(chǎn)生了36.00 cm的沉降差，沉降差較大;工況3連接段與水閘的最終沉降差為9.04 cm.連接段與海堤的最終沉降差為8.90 cm.相比于前兩種工況，第3種工況可同時(shí)減小連接段與水閘的沉降差及連接段與海堤的沉降差，這是因?yàn)檫B接段與水閘銜接處采用與水閘地基相同的處理方式，連接段與海堤銜接處采用與海堤地基相同的處理方式，連接段中間部分地基沿連接段長(zhǎng)度方向從水閘地基處理方式漸變?yōu)楹５痰鼗幚矸绞健?/p>

連接段與海堤的地基處理方式相同時(shí)（工況1），連接段與海堤的沉降差較小且比較平穩(wěn)，為1. 25 -2.00 cm，連接段與水閘的沉降差較大，為3.50 - 41.50cm，建成后4a內(nèi)增長(zhǎng)幅度較大，建成4a后沉降差逐漸趨于穩(wěn)定;連接段與水閘的地基處理方式相同時(shí)（工況2），連接段與水閘的沉降差較小且比較平穩(wěn)，為0.39 - 6.95 cm.連接段與海堤的沉降差較大，為1.51-36.00 cm.在建成后4a內(nèi)增長(zhǎng)幅度較大，建成4a后逐漸趨于穩(wěn)定：連接段地基采用從水閘地基處理方式漸變?yōu)楹５痰鼗幚矸绞綍r(shí)（工況3），連接段與水閘的沉降差為0.77 - 9.04 cm，大于第二種工況，但小于第一種工況，連接段與海堤的沉降差為1.38 - 8.90 cm.大于第一種工況，但小于第二種工況，沉降差都介于前兩種工況之間。

5 結(jié)語(yǔ)

粉砂質(zhì)地基上水閘地基開(kāi)挖至符合設(shè)計(jì)要求的持力層再壓實(shí)回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高，海堤地基采用土工格柵、編織布及石渣墊層處理。連接段地基采用與海堤地基相同的處理方式時(shí)（工況1），連接段與水閘的最終沉降差為41.50 cm，這種狀況會(huì)危及到水閘和海堤自身的安全，影響其減災(zāi)效益的充分發(fā)揮，連接段與海堤的最終沉降差為2.00 cm.沉降差值很小;連接段地基采用與水閘地基相同的處理方式時(shí)（工況2），連接段與海堤的最終沉降差為36.00 cm，也會(huì)嚴(yán)重影響到海堤和水閘的自身安全及正常運(yùn)行，連接段與水閘的最終沉降差為6.95 cm，沉降差值較?。哼B接段地基采用從水閘地基處理方式漸變?yōu)楹５痰鼗幚矸绞綍r(shí)（工況3），連接段與水閘的最終沉降差為9.04 cm，連接段與海堤的最終沉降差為8.90 cm，相比于前兩種工況，第3種工況可同時(shí)減小連接段與水閘的沉降差和連接段與海堤的沉降差?？梢?jiàn)，連接段粉砂質(zhì)地基處理方式應(yīng)優(yōu)先選用從水閘地基處理方式漸變?yōu)楹５痰鼗幚矸绞剑ür3），可達(dá)到同時(shí)減小連接段與水閘沉降差和連接段與海堤沉降差的效果，實(shí)現(xiàn)地基承載力和剛度的漸進(jìn)變化，減少海堤與水閘之間的不均勻沉降，較好地解決海堤一連接段一水閘之間的變形協(xié)調(diào)問(wèn)題。

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【責(zé)任編輯 張帥】

收稿日期：2019- 04-09

基金項(xiàng)目：浙江省重點(diǎn)水利科技項(xiàng)目（ RB1505）;浙江省水利專項(xiàng)資金項(xiàng)目（317013-2011-0102）

作者簡(jiǎn)介：劉建飛（1967-），男，陜西米脂人，副教授，高級(jí)工程師，主要從事水利水電建筑工程專業(yè)教學(xué)與研究工作

通信作者：任紅俠（1968-），女，陜西興平人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程專業(yè)教學(xué)與研究工作