下洋涂围垦工程子堤滑移原因及处治

2012-08-06冯行友

浙江水利水电学院学报 2012年2期

关键词：土方安全系数高程

冯行友

(宁海县水利局，浙江宁海 315600)

1 工程概况

1.1 工程情况

宁海县下洋涂围垦工程位于浙江海岸中部的三门湾北部，距宁海县城30 km，东临白礁洋，南濒满山洋、猫头洋，西界胡陈港，北靠长街保卫塘与青珠塘农场海塘，与宁海县长街镇相接.三门湾是淤积型海湾，面朝东海，是一个半封闭的网袋状港湾.

下洋涂是宁海县最大的滩涂资源，下洋涂围垦工程是宁波市农业单体投资项目最大的建设工程.围垦面积为35 867 ha，堤线总长17.347 km，分为西堤、南堤、东堤，配套挡潮闸8座，总净宽162 m，工程概算总投资14.84亿元.下洋涂围垦工程，工程设计等级为Ⅲ等，海堤、水闸等主要建筑物为3级［1］，海堤防洪(潮)标准按50年一遇设计高潮迭加50年一遇风浪组合设计，水闸挡潮标准同海堤，水闸排涝设计标准为20年一遇.本工程于2007年12月开工，设计三个龙口，其中1#、2#龙口于2010年4月合拢，3#龙口于2010年5月合拢，施工工期为5年零2个月，目前已基本完成主堤的迎潮面结构、闭气土方和子堤抛石体施工，施工进度比较顺利，基本按施工进度计划推进，整个工程已达到施工期度汛标准.

1.2 气象水文

1.2.1 气象

本工程地处亚热带季风气候区，四季分明，气候温和.多年平均降雨量为1 655 mm，降水主要集中在3～9月，约占全年的80%.本地区受季风环流影响大，冬天盛行偏北风，夏天多偏南风.多年平均风速在口门外海约5.0 m/s.海塘沿岸主要自然灾害有台风、洪涝和干旱.在盛夏季节，热带风暴(台风)活动频繁，影响三门湾的台风平均1.8次/a.

1.2.2 潮汐

本工程海域为典型半封闭海湾，属非正规半日潮.湾内潮差较大，平均潮差多处可达4 m以上，是东南沿海主要强潮区之一.潮流运动形式为往复流，湾内涨潮历时一般都大于落潮历时，且落潮流速大于涨潮流速，成为维持港湾水深的有利条件.在下洋涂区域，多年平均高潮位为2.46 m(高程为1985国家基准，下同)，多年平均低潮位-1.76 m，平均潮位0.30 m，平均潮差4.23 m.

1.2.3 设计潮位

本工程设计潮位采用小可屿站作为依据，结合附近长期潮位站比较分析，得出本工程50年一遇设计最高潮位5.19 m，50年一遇设计最低潮位为-3.92 m.龙口汛期10年一遇高潮位为4.52 m，堵口非汛期5年一遇高潮位为3.76 m.

1.2.4 设计暴雨

本工程设计24 h、3 d暴雨采用附近车岙站统计分析成果，20年一遇最大24 h暴雨为225 mm，最大3 d暴雨为302 mm.

1.2.5 设计风速与设计波浪

本设计按《海港水文规范》《浙江省工程技术规定》等有关规范，参照工程邻近的石浦气象站和大陈岛海洋站观测资料，对工程波浪设计要素进行综合分析，并考虑了外海浪和局部风浪在局部段的共同作用，其中以海堤南侧风浪为较大，设计风速(SE-SSE向)取为 33.0 m/s，堤前设计波要素H13%为4.09 m，H1%为破碎波高 4.14 m，平均波高为2.98 m.

1.3 工程地质条件

本工程地勘依据工程地质勘察规程有关规定进行勘察［2-3］.根据初设阶段勘探成果，海堤沿线勘探孔深度约在30～45 m，经勘察揭露，沿程地基土层分布较均匀，属软土地基.其中南堤勘探孔控制最大深度45.4 m，堤基土主要有海相沉积的软土层和冲～海相沉积的硬土层，主要分为3个地质层、11个亚层，分别为1-1层淤泥、1-2层淤泥质粉质粘土、2-1层淤泥质粘土、2-2层淤泥、2-3层淤泥质粘土、2-4a层淤泥质粉质粘土、2-4b层粉质粘土夹粉土、2-5层淤泥质粘土、3-1层粉质粘土、3-2层粉砂夹粉质粘土、3-3层粉质粘土.软土层主要为淤泥或淤泥质土［4］.软土层为高含水量、高压缩性、高灵敏性、低强度的软土，物理力学性质差.硬土层位于软土层之下，主要包括粉质粘土和粉砂夹层.粉质粘土为含水量中等、中压缩性、软可塑状、强度中等的粘性土层，粉砂夹层为稍密～中密状态、中等适水土层，物理力学性质较好.南堤由于接近外海，受岛屿影响较小，软土沉积厚度较大.在勘察深度内未揭穿，软土地质较均匀，极易使堤基造成过大沉降.根据静力触探和十字板测试，在堤基表层普通存在厚2.0 m左右，强度特别低，物理力学性质差的淤泥，锥尖阻力qc=0.1～0.2 MPa，个别孔位为0.03 m 层，十字板强度 Cn=3 ～6 kPa，含水量为57.9%.

2 子堤滑移原因分析

2.1 子堤滑移产生

根据老围区养殖户强烈要求，在南区排水闸未发挥功能前，应保留一条围区进排潮流通道，以满足围区供排水需要.位于南堤的南区排水闸于3月底拆除，并于4月上旬开通排水，发挥闸门应有排水挡潮功能.南区排水闸开通后，立即对原保留潮流通道桩号为12+200～12+600地段的海堤和子堤进行填筑封堵，于5月初完成封堵，海堤分层填筑至4.0 m高程，子堤一次性填筑达到设计2.0 m高程，并对护塘地加高至设计 -0.5 m高程，同时对后坡闭气土方施工加高至2.5 m高程以上.此时，该地段子堤仍然处于稳定状态，为考虑安全稳定需要，该地段暂缓施工.2010年6月13日，位于南堤的12+280～12+580的子堤抛石体向护塘地侧发生滑移迹象，最大位移为10 m，其余部位为3～6 m不等，最大沉降为1.5 m左右，平均为1 m.

2.2 子堤滑移产生的主要原因分析

2.2.1 滩涂冲深使堤基原状土破坏，产生子堤失稳现象

该地段原涂面高程为-1.5～1.7 m之间，随着海堤逐渐围拢，待该地段抛填时，配套南共排水闸尚未开通排水的情况下，受内塘养殖供排水及围区潮流影响，原涂面受围区水冲刷严重并形成槽流沟，高程相应降低到-3 m以下，最深达到-5.4 m的高程.由于该地段堤基原状土受破坏，在护塘地土方填筑至-0.5 m尚未固结情况下，为了度汛需要抢进度赶工，加快子堤抛石体施工，并且采用立抛施工方法推进，基本完成子堤抛石，紧接着闭气土方施工，加大子堤上部和侧向荷载，造成子堤失稳.海堤施工设计断面图见图1～图2.

2.2.2 围区水位骤降使堤内土体浸润线无法迅速下降，加快了子堤失稳的产生

由于内塘养殖需要，老围区养殖排水至新围区，致使新围区水位抬高，如果新围区水位不及时下降，将影响老围区养殖排水.因此，养殖户要求新围区紧急排水，并在相当短的时段内迅速降低围区水位，而外海侧是大潮汛时期，形成内外侧水位差过大，而堤内土体的浸润线无法迅速下降，致使加快子堤失稳现象产生.

2.3 堤身土方一次性填筑过高使土体荷载过大，加重了子堤滑移的产生

由于内塘养殖供排水的影响，3#龙口堤基按设计要求进行保护后不能满足围区养殖排水，该地段在南排大闸未开通前暂缓封堵，不能如期按设计要求进行闭气土方施工.为满足度汛要求，在南排闸开通后，突击加快了该地段子堤上的闭气土方施工，并且土方含水量大，造成土方填筑加荷速率过快，加荷过高并最大高于设计1.5 m，其余为1.0～0.8 m不等，因此，增加子堤滑移的主动荷载.

3 安全稳定分析

3.1 复核初步设计稳定计算

(1)计算公式

根据《浙江省海塘工程技术规定》(以下称《规定》)和《海堤工程设计规范》［5］，当围堤施工历时较长，地基土受到堤身荷载产生部分固结时，宜采用瑞典圆弧滑动面固结有效应力法，其抗滑稳定安全系数 k按《规定》5.2.8条计算.

(2)水位组合

计算工程本次主要计算工程正常运行，向内侧滑动:外水位是台风期大潮平均高潮位2.94 m，内水位是南片水位0.60 m.

(3)滩地采用各计算段滩面平均高程计，经设计单位稳定计算分析结果:南堤填高至0.5～-0.5 m高程即可.

(4)地质设计参数

南堤设计强度指标，见表1.

表1 南堤设计强度指标取用值表

堤身部分石料按重度17.5 kW/m3，粘聚力C=0 kPa，摩擦角Ф=40°取用;堤身闭气土方按重度16.7 kW/m3，粘聚力 C=4.5 kPa，摩擦角 Ф =2°取用;

(5)计算结果

南堤桩号12+484，地质钻孔号为K220，其堤身稳定安全系数k:临潮坡为1.23，背水坡为1.21.由此，堤身稳定安全系数均大于《规定》的要求值.

(6)计算复核

根据本工程地质勘察报告十字板测试结果，按《规定》计算公式(5.3.8-4)，并考虑到地基强度固结增长，对海塘整体抗滑稳定进行了复核.计算结果，安全系数k值与固结前有效应力法k值相近，并稍大，满足规范要求.南堤抗滑稳定安全系数:计算代表断面 ZK212，背水坡 1.23;计算代表断面ZK219，背水坡1.25，安全系数满足稳定要求.

3.2 根据三个成因进行稳定计算

(1)计算公式

应采用瑞典圆弧滑动面固结有效应力法，其抗滑稳定安全系数k按《规定》5.2.8条计算.

(2)水位组合

正常运行工况下，向内侧滑动的外海侧水位:大潮平均高潮位取2.94 m，内侧水位:围区排水后的涂面高程.

(3)滩地采用滑移后的实测高程计

(4)地质设计参数:同初步设计采用的地质设计参数

(5)计算结果

桩号12+280～12+580，地质钻孔号ZK221，抗滑稳定安全系数k为背水坡0.77，取滩涂面高程为-5.4 m.因此，抗滑稳定安全系数不能满足稳定要求.

3.3 采取工程措施后稳定计算

根据滑移后稳定计算，安全系数不能满足稳定要求，因此对滑移地段进行加固处理，加固施工图见图1～图2.加固后稳定计算:

(1)计算公式采用瑞典圆弧滑动面固结有效应力法，其抗滑稳定安全系数k按《规定》5.2.8条计算.

(2)水位组合正常运行情况下，向内侧滑动的外海侧水位:大潮平均高潮取2.9 m，内侧水位:围区排水后的涂面高程.

(3)滩地采用加固后的高程计.

(4)地质设计参数:同初步设计采用的南堤地质设计参数(见本文3.1.4).

(5)滑移地段进行加固后抗滑稳定计算成果:桩号12+280～12+580，安全系数 k背水坡为1.206，安全系数满足稳定要求.

4 处理措施

4.1 工程性措施

(1)根据安全稳定要求，采取工程性加固处理措施.具体加固方案:在子堤内侧护塘地上采取抛填块石镇压的办法，抛块石至0.5 m高程，宽度为18 m的镇压层，并以1∶2斜坡至滩涂面，并要求块石镇压层厚度不小于2.5 m.加固方法:对镇压层用抛石进行加固至设计高程以上并预留沉降超高量，再加固子堤至设计高程.

(2)对后坡的闭气土方填筑高于设计要求的要及时进行削坡处理，以加快土体固结，使坡后土体处于稳定状态，并保证子堤处于安全稳定状态.

(3)修复子堤至原设计断面，待子堤相对稳定后，再进行后坡闭气土方施工.要求按设计进行薄层轮加方法施工，填筑层厚控制在30～50 m之间，尽可能采用干燥粘土，自下而上施工，待下层土方基本固结后再进行上部加荷，严格控制加荷速率，并及时将堆积的土方进行整平再上部加荷.