海床隆起對(duì)海堤的影響及處理方法

彭志豪，馬里，陳家悅

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2.香港振華工程有限公司，香港 999077）

0 引言

軟土地基上建造防波堤、護(hù)岸等結(jié)構(gòu)，目前工程界軟土地基處理方案有：開(kāi)挖換填法、排水固結(jié)法及復(fù)合地基法等。開(kāi)挖換填法雖然效果好，但是造價(jià)高且對(duì)環(huán)境影響大；排水固結(jié)法，需要時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)淤泥土使用要求較高的項(xiàng)目處理效果有限；而復(fù)合地基法則是通過(guò)施工工藝?yán)貌糠趾貌牧咸鎿Q原有的軟土，形成復(fù)合地基，這種方法具有時(shí)間短、處理效果好、造價(jià)適中。其中復(fù)合地基處理方式有砂樁置換法、碎石樁置換法、DCM 水泥樁置換法[1]等。DCM 攪拌樁利用水泥在軟土中攪拌形成水泥樁+土體的混合地基，從而提高軟土地基承載力和抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)。復(fù)合地基法由于加入了部分強(qiáng)度好的土體材料，而原狀土沒(méi)有進(jìn)行開(kāi)挖，所以處理后總體積變大，從而引起海床面的隆起[2]，具體的隆起高度、隆起范圍與置換率和原狀土性質(zhì)有關(guān)。本文重點(diǎn)分析隆起后對(duì)海堤的影響，從而提出具體的處理方法。

在前期設(shè)計(jì)時(shí)通常容易忽略海床隆起對(duì)設(shè)計(jì)方案的影響，海床隆起會(huì)引起水深變小，特別是水深較小時(shí)可能影響護(hù)面的穩(wěn)定，同時(shí)隆起物的存在也會(huì)使海床面存在一個(gè)不能處理的軟弱層，從而影響海堤、護(hù)岸結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，因此在設(shè)計(jì)DCM 處理的護(hù)岸結(jié)構(gòu)時(shí)，需要特別考慮海床面的隆起，并評(píng)估分析隆起物帶來(lái)的影響，以及相應(yīng)的處理方式。

1 項(xiàng)目隆起情況介紹

香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程（以下簡(jiǎn)稱香港三跑工程）需建設(shè)13 km 海堤，根據(jù)地勘資料顯示，海堤下方存在10～20 m 厚淤泥土和淤泥質(zhì)土。由于香港環(huán)保要求嚴(yán)格，不允許大面積開(kāi)挖換填，且深厚軟土開(kāi)挖換填造價(jià)高，如果采用排水固結(jié)法，工期、工后沉降難以滿足機(jī)場(chǎng)沉降的要求，綜合考慮項(xiàng)目情況，設(shè)計(jì)方案采用DCM 水泥攪拌樁的復(fù)合地基法。本文以CH+3900—CH+4300 段的海堤為對(duì)象進(jìn)行分析，海堤段原泥面高程在-5.7～-6.2 mPD（PD 為香港高程基準(zhǔn)面），平均約為-6.0 mPD。設(shè)計(jì)斷面采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，首先在原泥面施工2 m 厚砂墊層，砂墊層頂標(biāo)高-4.0 mPD；接著在砂墊層上施工DCM 樁，最后施工拋石斜坡堤。根據(jù)原設(shè)計(jì)斷面，砂墊層及DCM 施工后泥面標(biāo)高應(yīng)在-4.0 mPD，而實(shí)際DCM 施工完后，經(jīng)測(cè)量DCM 范圍內(nèi)海床存在約2 m 厚度的隆起物，隆起范圍1.4～2.3 m（不包括2 m 砂墊層厚度），此處原海堤設(shè)計(jì)斷面（SW1）及隆起線如圖1 所示，護(hù)面采用0.8～2.5 t 的塊石（M50=1356 kg），墊層采用10～450 kg 塊石，護(hù)面坡度1∶2，根據(jù)《深層攪拌法技術(shù)手冊(cè)》[3]隆起厚度可按下式估算：

圖1 CH3900—CH4300 海堤原設(shè)計(jì)斷面及隆起線Fig.1 Original seawall section for CH3900—CH4300 and the heave line

式中：β 為海床隆起率，一般取0.7；h 為DCM 攪拌樁處理深度，m；V 為每立方土體中注入水泥的體積，m3/m3。

項(xiàng)目DCM 進(jìn)入較好土層約5 m 左右，計(jì)算得到本區(qū)域理論隆起量為1.9 m，本文采用2 m 平均厚度評(píng)估海床隆起對(duì)海堤護(hù)面塊石和整體穩(wěn)定性的影響。

2 隆起對(duì)海堤的影響及處理方法

2.1 隆起對(duì)海堤的影響

2.1.1 護(hù)面塊石重量的影響

海床隆起泥面標(biāo)高抬高2 m 后，護(hù)面結(jié)構(gòu)前沿水底高程相應(yīng)抬高，根據(jù)CIRIA C683 Van der Meer 公式[4]，當(dāng)水深大于3 倍有效波高時(shí)采用深水公式，否則采用淺水公式計(jì)算護(hù)面塊石重量，根據(jù)不同情況可對(duì)應(yīng)采用式（2）～式（5）計(jì)算護(hù)面塊石的重量。

深水且ξm＜ξcr時(shí)，為卷破波：

深水且ξm≥ξcr時(shí)，為激破波：

淺水且ξs-1，0＜ξcr時(shí)，為卷破波：

淺水且ξs-1，0≥ξcr時(shí)，為激破波：

式中：α 為堤身邊坡坡角；ξm、ξs-1，0分別為深水和淺水破波相似性參數(shù)，，其中Tm為平均周期，s；Tm-1，0為平均譜周期，s；ξcr為波浪形態(tài)判斷參數(shù)，；cpl、cs為系數(shù)，分別為6.2，1.0；Hs為堤前有效波高，m；P 為結(jié)構(gòu)的滲透性系數(shù)，0.1≤P≤0.6；N 為波浪個(gè)數(shù)（風(fēng)暴延時(shí)），當(dāng)N＞7500 時(shí)取7500；Δ 為塊石的相對(duì)重度，Δ=γs/γ-1；γs為塊石的重度，kN/m3；γ 為水的重度，kN/m3；Dn50為塊石的名義直徑，m；Sd為破壞水平，Sd=Ae/Dn502；Ae為計(jì)算水位一定范圍內(nèi)破壞面積。

當(dāng)考慮隆起后，護(hù)面結(jié)構(gòu)前高程約為-2.0 mPD，從而使得該斷面不滿足深水公式，而采用淺水公式計(jì)算時(shí)原設(shè)計(jì)護(hù)面塊石重量不能滿足要求，中值重量M50需要增加到1429 kg，考慮海床隆起變化前后的護(hù)面塊石計(jì)算對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 海床隆起對(duì)護(hù)面塊石設(shè)計(jì)結(jié)果的影響Table 1 Influence of seabed heave on design results of armor rock

2.1.2 壓腳塊石重量的影響

由于水深變淺，使得壓腳塊石護(hù)面塊石處于2 倍有效波高范圍以內(nèi)，護(hù)面塊石的穩(wěn)定受到影響，根據(jù)香港規(guī)范PWDM[5]需要采用與圖1 中AC段重量相同的護(hù)面塊石，否則在低水位時(shí)GE 段護(hù)面塊石不能滿足穩(wěn)定要求，英標(biāo)BS 6349-7[6]要求護(hù)腳塊石頂高程要低于水面1.5～2.0 倍有效波高。項(xiàng)目平均低潮位為0.36 mPD，低潮位對(duì)應(yīng)100 a 一遇重現(xiàn)期有效波高為1.44 m，當(dāng)不考慮隆起時(shí)G 點(diǎn)水深大于2 倍有效波高，可按照壓腳塊石計(jì)算；但隆起后G 點(diǎn)水深小于2 倍有效波高，需要按照護(hù)面塊石計(jì)算，塊石重量驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2，結(jié)果表明考慮隆起后原壓腳塊石重量不能滿足規(guī)范要求。

表2 平均低潮位壓腳塊石穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果Table 2 Calculation results for the stability of toe rock at average low tide

2.1.3 海堤整體穩(wěn)定的影響

不考慮DCM 地基處理的海床隆起，邊坡整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2[7]，最小安全系數(shù)為1.467，大于香港規(guī)范要求的1.30，因此能夠滿足要求。但因DCM 施工所造成的海床面隆起后砂墊層的成分會(huì)發(fā)生較大變化，砂墊層中形成一層攪起的淤泥，由于DCM 施工過(guò)程中水泥漿的外冒，使得隆起物具有一定的強(qiáng)度，隆起物的強(qiáng)度直接影響海堤的整體穩(wěn)定，隆起物頂面距離DCM 樁頂距離為1 m，由于隆起物的存在，海堤的整體穩(wěn)定受到影響，需取樣測(cè)定隆起物的強(qiáng)度然后判斷海堤結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，如直接把隆起物按照處理之前的淤泥考慮，整體穩(wěn)定安全系數(shù)為0.688，不滿足規(guī)范要求。

圖2 不考慮海床隆起整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results of overall stability without considering seabed heave

2.2 處理方法

根據(jù)前面海床隆起對(duì)海堤的影響分析，可以得到原設(shè)計(jì)斷面已經(jīng)不適用于隆起后的地形，因此提出兩種應(yīng)對(duì)思路，第一通過(guò)開(kāi)挖隆起物恢復(fù)到DCM 施工之前的地形，這種思路不需要重新設(shè)計(jì)斷面，原護(hù)面塊石、護(hù)腳塊石均能滿足要求，開(kāi)挖后原設(shè)計(jì)斷面不受影響；第二是在隆起物上重新設(shè)計(jì)海堤斷面，相當(dāng)于在抬高后的海床設(shè)計(jì)、施工護(hù)岸。由于環(huán)保要求，項(xiàng)目不允許水上大面積開(kāi)挖，因此項(xiàng)目采用了第二種思路處理隆起帶來(lái)的影響。在隆起后的海床上設(shè)計(jì)海堤，針對(duì)原設(shè)計(jì)護(hù)面塊石偏小的影響，采用加大護(hù)面塊石規(guī)格到M50=1429 kg，考慮到大塊石石料緊張，最后護(hù)面采用2 m3的ACCROPODE 混凝土塊體，墊層采用320～600 kg 塊石，護(hù)面坡度1∶2，采用2～4 t 的塊石作為壓腳塊石，同時(shí)DE 段外側(cè)鋪1 層大塊石，以解決對(duì)護(hù)面塊石、壓腳塊石帶來(lái)的不利影響，后調(diào)整斷面如圖3。

圖3 考慮海床隆起后的CH3900—CH4300 海堤斷面Fig.3 Adjusted seawall section CH3900—CH4300 taken into the seabed heave

針對(duì)海堤整體穩(wěn)定的影響，首先是補(bǔ)充勘察，探明隆起物的成分及力學(xué)指標(biāo)，利用探明的指標(biāo)重新分析新斷面穩(wěn)定，如果能夠滿足要求，則不用額外的處理，如不能滿足整體穩(wěn)定要求，則需要對(duì)隆起物進(jìn)行挖除或者地基加固。香港三跑工程中首先進(jìn)行了隆起物力學(xué)指標(biāo)對(duì)整體穩(wěn)定的敏感性分析，分析結(jié)果如圖4，結(jié)果顯示當(dāng)隆起物的強(qiáng)度為15 kPa 時(shí)，海堤的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.423＞1.30，滿足規(guī)范要求，因此當(dāng)隆起物的抗剪強(qiáng)度CU不小于15 kPa，則穩(wěn)定性能夠滿足要求。

圖4 隆起物強(qiáng)度對(duì)海堤穩(wěn)定的敏感性分析結(jié)果Fig.4 Sensitivity analysis results of heave strength to seawall stability

香港三跑工程補(bǔ)充勘察表明隆起物主要為硬到堅(jiān)硬的黏土，并伴有膠結(jié)塊，判斷為冒出的水泥漿和淤泥質(zhì)土形成的混合物，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到隆起物的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為UCS=0.2～0.6 MPa，不排水抗剪強(qiáng)度Cu=0.5UCS，考慮1.5 的安全系數(shù)，得到平均不排水抗剪強(qiáng)度可取130 kPa，遠(yuǎn)大于15 kPa，整體穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求。因此香港三跑工程最終選用了不開(kāi)挖隆起物的方案，通過(guò)變更護(hù)面、壓腳塊石的規(guī)格，其隆起物不用進(jìn)行處理[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合地基法處理軟土地基后地面會(huì)存在一定的隆起，設(shè)計(jì)時(shí)需要據(jù)理論計(jì)算預(yù)先考慮隆起的影響，特別是處理水下防波堤或者護(hù)岸基礎(chǔ)時(shí)，由于水深變化，可能導(dǎo)致整個(gè)護(hù)面結(jié)構(gòu)、護(hù)腳塊石等不滿足要求，整體穩(wěn)定也可能受到影響，因此需要預(yù)判隆起的厚度，并給出一定的應(yīng)對(duì)措施，避免因設(shè)計(jì)考慮不充分發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題；而關(guān)于隆起物的強(qiáng)度，與具體的原始土層特性、DCM 樁深度、DCM 注漿效果及置換率有關(guān)，香港三跑工程隆起后不排水抗剪強(qiáng)度高達(dá)130 kPa，滿足穩(wěn)定，但是每個(gè)項(xiàng)目情況不同，需要通過(guò)補(bǔ)充勘察具體分析，本文DCM 處理地基帶來(lái)的海床隆起分析結(jié)果對(duì)類似項(xiàng)目具有參考意義。