降雨对乐清市久安塘海堤稳定的影响分析

王忠权,郑祖桢

(浙江省钱塘江管理局勘测设计院,浙江 杭州 310016)

乐清市久安塘位于浙江省乐清市雁荡镇,其防潮标准为20年一遇.久安塘自加固以后运行至今虽未发现大的安全破坏,但海堤水平、垂直向变形严重,裂缝、空穴频频,令人对其运行安全程度十分担心,故需要对其进行安全分析.

1 久安塘的安全分析

乐清市久安塘在清末时已经成形,为土塘,挡潮标准很低,20世纪90年代遭数次破坏及抢修加固形成临海面为干砌石挡墙的海塘.20世纪90年代初该海堤按P=5%进行了加固.但该标准塘在9417、9711两次强台风中造成了较严重的损失.在20世纪末、21世纪初又对久安塘进行了加固.现状断面,见图1.

通过对当地村民及现场踏勘发现久安塘存在以下几个问题:(1)堤顶路面和防浪墙之间开裂严重,见图2,塘身外侧有失稳趋势.(2)塘身纵向及横向均有沉降不均现象,最大沉降差达19.2 cm.(3)塘身路面与后坡间有垂直裂缝及空洞,见图3.

而通过现场开挖可知,原混凝土路面以下部分为1993年工程加固时完成,主要有垂直布置的干砌石墙体,墙体内为垂直碎石反滤层,反滤层与老堤心土间为砂卵石混合料,在混合料上部则为老混凝土路面.老混凝土路面上部为顶面新混凝土路面、垫层及外侧浆砌块石直立墙、挡浪墙,见图4.从老混凝土路面以下部分开挖实况看,由于雨水从路面与防浪墙间的缝隙流入,使堤身土体在水流作用下混入垂直反滤层,因此垂直反滤层中已混有相当数量的土料,形成了土石混合结构,并且愈靠外侧细粒料愈少,架空愈严重,见图5.而在第二次加固过程中,对老路面下的垫层和土方未作补充或压实,空隙依然存在.随着挡浪墙、镇压层及堤顶路面竣工后,一方面由于浆砌石挡墙前趾应力加大,地基土发生固结沉降,使挡墙产生一定的外倾,随着时间的推移,这一变形使新老混凝土面板与挡墙间的缝隙进一步扩大,特别是老面板与挡墙拉裂错位,为雨水或越浪下渗创造了路径,而挡墙基础透水更易使堤身土体淘失,尽管这一过程是缓慢的、不连续的.堤身土的淘失又加剧了路面在车辆荷载作用下裂缝的发展,造成了恶性循环.

图1 久安塘典型断面

图2 挡浪墙与路面脱开

图3 路肩与内坡土体脱离

图4 路面下垂直结构

图5 挡墙内侧空洞

吴宏伟等[1]研究表明,雨水的入渗引起非饱和土中基质吸的丧失或减小是降雨引起土坡稳定性降低的主要机理;坡面防渗保护层存在10%～20%的雨水渗入,也会引起孔隙水压力的分布发生明显变化,从而导致安全因素显著下降.尽管非饱和渗流表现为水气两相,但R.A.FREEZE[2]认为对大多数实际问题来讲,考虑水相流动的非饱和单相近似技术的计算结果与考虑气、水两相流动的非饱和渗流的计算结果之间的误差可以忽略.

2 雨水下渗的非稳定渗流模型

除了降雨入渗对边坡稳定的不利影响外,降雨入渗引起的土体初始饱和度提高会导致海堤渗透稳定的不利.一般情况下海堤外侧水位涨落时间快,海水难以在海堤内部形成较高的稳定渗流线,而当海堤土体初始饱和度接近饱和时,即使堤外高水位持续时间不长也可能形成较陡的水力坡降,从而危及海堤的安全.朱伟等[3]在日本建设省土木研究所的试验也表明降雨土体整体饱和度增加,增大了土体透水性,减少了土的强度,降低了堤防对洪水的防御能力.

三维饱和非饱和/非稳定渗流基本方程如下[4]:

式中:kr为相对渗透系数(非饱和渗透系数与饱和渗透系数的比值);kij为饱和渗透系数;h为压力水头;xi为坐标轴,其中x3为正向向上的铅直轴;C为等效比容水度,是压力水头(或含水量)的函数;在非饱和区β=0,在饱和区β=1;SS为等效单位贮存量;t为时间;S为源(汇)项.

上式要求得正确的计算结果,须采用符合海堤土质特性的非饱和水力参数,即h～θ、kr～θ及C～θ关系(θ为含水量).h～θ可通过实测确定,kr～θ可由VanGenuchten模型(式2和式3)来拟合,C～θ由式4来确定.

上式中 θs、θr为土的饱和含水量及残余含水量,α、m为与土质相关的拟合参数.这4个参数可根据实测的水分特征曲线h～θ来求得,进而确定非饱和水力参数kr～θ和C～θ关系.根据h～θ、kr～θ及C～θ的关系可确定式(1)中的kr(h)和C(h).

3 堤身初始饱和度对渗流的影响

由于雨水下渗可以改变堤身土的初始饱和度,通过建立久安塘饱和非饱和/非稳定渗流模型,分析不同初始饱和度下浸润线的变形情况.结果显示海堤土体初始饱和度的增加可使浸润线的伸展明显加快,初始饱和度高的海堤浸润线在短时间内即可到达背坡脚,出渗点也以较快的速度上升,见图6.因此海堤土初始饱和度对堤身非饱和渗流影响较大.

图6 不同初始饱和度情况下背坡脚出现明显渗漏的时间变化图

4 结 论

久安塘是浙东海塘的一类代表,久安塘出现的问题具有普遍性,本文仅针雨水入渗对其进行饱和非饱和/非稳定渗流模型分析.分析显示海堤土的初始饱和度对海堤渗流影响大,初始饱和度大的海堤在高潮位作用下可以很快形成较高较陡的浸润线,当堤身土体防渗性能差时很容易造成渗透破坏.并且雨水下渗对海堤边坡的稳定也是不利的.而降低海堤土体的初始饱和度主要是避免雨水和越浪的下渗,因此在海堤工程设计中宜采用柔性材料填缝、适应变形能力好的柔性路面、保证路面横向排水,横向坡比宜按规范取大值[5]、增设坡面或路面防渗保护层等措施.在海堤运行管理中加强堤顶结构巡查,当出现雨水易下渗的裂缝、坑洞等时要及时修补.

目前浙东海堤从标准塘建设至今多数海堤已经运行超过10 a,大范围的海堤安全鉴定工作也已开展,对鉴定有问题的海堤进行加固的工作也将迅速开展.建议对海堤鉴定中出现堤顶开裂、坑洞等易积水和雨水下渗严重的海堤尽早进行维修和加固.

[1]吴宏伟,陈守义,庞宇威.雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J].岩土力学,1999,20(1):1-14.

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

[3]朱 伟,山村和也.降雨时土堤内的饱和-非饱和渗流及其解析[C].中国土木工程学会第八届土力学及岩土工程学术会议论文集.北京:中国土木工程学会土力学及岩土工程学会,1999.

[4]毛昶熙,段祥宝,李祖贻.渗流数值计算与程序应用[M].南京:河海大学出版社,1999.

[5]刘 宁.SL435-2008海堤工程设计规范[S].北京:水利水电出版社,2009.