海堤加固工程典型断面沉降的复核计算及应用

朱国康

(台山市水利工程建设管理中心，广东 台山 529200)

1 工程概况

台山市北陡围海堤位于台山市北陡镇附近，是镇海湾内河西岸(右岸)的一条海堤，全长约12.5km；海堤各段均由人工堆填淤泥或淤泥质土而成，堤身断面单薄、低矮，堤顶淤泥皲裂、裂缝密布。由于该处地质条件较差，普遍存在厚层淤泥，在堤身加高施工尚未填至设计的堤顶高程时，多处发生滑塌，导致无法按原设计方案继续实施,同时导致回填的土方量较施工图预算工程量明显增加。鉴于此，为了下一步工程的顺利实施，也为了科学合理确定工程的回填土方量，需要进一步复核海堤的稳定性和复核计算海堤的沉降量[1]。

2 选取典型断面

根据出现严重滑塌段位的不同地形，分别选取代表河涌出口滑塌段(桩号6+956)、外海侧填筑滑塌段(桩号C1+250)、围内填筑滑塌段(桩号12+207)的三处典型断面，开展了勘测(含原位静力触探试验和十字板剪切试验)和沉降复核计算。

3 典型断面地质条件分析

根据勘探结果，上述堤段均堤基浅层分布厚层淤泥，淤泥的含水率较高，属中灵敏性、高压缩性土,容易产生沉陷和不均匀沉降，在强烈地震作用下，可能出现震陷现象。组成堤基和岸坡的岩土层依次为淤泥/残积粉质黏土/风化花岗岩，地质结构属多层结构(Ⅲ)类、堤基表层为淤泥质土亚类。堤基普遍存在变形稳定与抗滑稳定问题，但基本无渗漏和渗流稳定问题。堤基工程地质分类可划分为工程地质较差堤基，岸坡可划分为稳定性较差岸坡[2-3]。

3.1 桩号6+956典型断面地质条件

该处海堤处于河涌出口在原有塘埂的基础上加高培厚外坡，堤外滩涂为杂草和红树林，堤内为蚝塘，原塘埂顶面高程2.65-2.70m，塘底地面高程-1.4m。现状堤身填土高程约为3.10m，填土宽度约16.10m。堤身新填土层属素填土，厚度为2.02-6.3m，一般厚度多在2.02-4.4m，平均厚度为3.41m，新填土干密度为1.41-1.48g/cm3，平均为1.48g/cm3；渗透系数为1.08×10-4cm/s，属中等-弱透水性。堤基浅层分布厚层淤泥，淤泥的含水率平均值为57.8%。

3.2 桩号C1+250典型断面工程地质条件

该处海堤直面外海，在原有塘埂之上加高培厚堤外坡，属外海侧填筑。堤外滩涂为杂草和红树林，堤内为蚝塘，原塘埂顶高程约2.95m，塘底高程-0.5m。现状堤身填土顶高程约2.15m，填土宽度约11.70m。堤身新填土层属素填土，厚度为3.1-5.0m，一般厚度多在3.5-5.0m，平均厚度为3.81m。新填土干密度为1.48g/cm3；渗透系数为2.37×10-5cm/s，属弱透水性。堤基浅层分布厚层淤泥，淤泥的含水率平均值为66.1%。

3.3 桩号12+207典型断面工程地质条件

该处海堤堤外滩涂辟为蚝塘，堤内亦为蚝塘，在原有塘埂的基础上加高培厚外坡，属围内填筑。原塘埂顶面高程2.65-2.70m，塘底地面高程约为-1.7m。现状填土的顶高程为2.70m左右，堤身填土宽约7.40m。堤身新填土层属素填土，厚度为0.53-6.06m，平均厚度为4.17m。新填土干密度为1.49-1.55g/cm3，平均为1.53g/cm3；渗透系数为2.77×10-6cm/s，属微弱透水性。堤基浅层分布厚层淤泥，淤泥的含水率平均值为69.9%。

4 典型堤段的稳定复核

4.1 极限平衡法计算原理

抗滑稳定计算按《堤防工程设计规范》，采用瑞典圆弧法，圆弧滑动条分法计算，瑞典圆弧滑动法，见图1。

图1 瑞典圆弧滑动法

计算公式为：

(1)

式中：K为抗滑稳定安全系数；Q、V为水平和垂直地震惯性力；u为作用于土条底面的孔隙压力，kN/m2；α为条块的重力线与通过此条块底面中点半径之间的夹角，度；b为土条宽度，m；c′、φ′为土条底面的有效凝聚力，kN/m2和有效内摩擦角，度；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；R为圆弧半径，m。

4.2 桩号6+956典型断面的稳定复核

根据现场实测的断面形状，目前堤顶高程约为2.59-3.09m，设计堤顶高程3.6m，临海侧设计高潮水位取3.02m(设计潮水位P=5%)，低潮位是按滩涂面-0.5m。背海侧最高水位按鱼塘满水2.0m，最低水位按鱼塘放水后，水位高程0.5m考虑，根据规范要求，计算了不同工况下堤防的抗滑稳定性，不同工况下堤防的抗滑稳定性同，见表1。

表1 不同工况下堤防的抗滑稳定性

参照上表：堤防的抗滑稳定安全系数均满足《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)中3级堤防抗滑稳定最小安全系数的要求。本次计算均为在现状实测地形下，堤顶填至设计标高后的计算结果，其中临海侧的抗滑稳定安全系数比较高，主要原因是堤防滑移出去的回填土成为了堤脚的反压土，所以后期堤防加高至设计标高后，建议仍保留住临海侧的滑移出去的回填土，不要挖除，以增加堤防的安全稳定性[4]。

4.3 桩号C1+250典型断面的稳定复核

此段堤顶高程约为2.15m，设计堤顶高程3.6m，经计算不同工况下，堤顶填至设计标高后，堤防抗滑稳定安全系数均满足《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)中3级堤防抗滑稳定最小安全系数的要求。

4.4 桩号12+207典型断面的稳定复核

此段堤顶高程约为2.7m，设计堤顶高程3.6m，各工况的计算结果表明：堤顶填至设计标高后，堤防的抗滑稳定安全系数均满足《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)中3级堤防抗滑稳定最小安全系数的要求。

5 三个典型断面的最终沉降量计算

本次分析不考虑前期堤防回填土作用下，还会产生固结沉降这一因素，即假定其沉降已经稳定。仅分析在目前堤顶高程下，继续加高至设计标高下，堤防加高产生的沉降量。

根据《广东省海堤工程设计导则》(DB44/T182-2004)第14.2.5条、《海堤工程设计规范》(GB/T51015-2014)第10.3.4条和《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)第9.3.3条，堤身和堤基的最终沉降量采取分层总和法计算。计算公式为：

(2)

式中：n为压缩层范围的土层数；e1i为第i土层在平均自重应力作用下的孔隙比；e2i为第i土层在平均自重应力和平均附加应力共同作用下的孔隙比；hi为第i土层的厚度，mm；m为修正系数，一般堤基的m=1.0，对于软土地基可采用1.3-1.6。

另外，在计算土中附加应力时，考虑了堤顶的施工超载10kPa。

参考《公路路基设计规范》(JGTD30-2015)第7.7.2条，任意时刻地基沉降量，考虑主固结随时间的变化过程，按下式计算：

(3)

5.1 桩号6+956断面的最终沉降量

根据上述计算原理计算,6+956断面的主固结沉降量Sc=35.8mm，主固结沉降盆曲线所围成的面积S=0.1948m2。

(4)

故此，当m=1.3时,St=46.54mm, 当m=1.6时, St=57.28mm。

当m=1.3时，最终沉降盆曲线所围成的面积S′=1.3×0.1948m2=0.2532m2, 当m=1.6时，最终沉降盆曲线所围成的面积S′=1.6×0.1948m2=0.3117m2。

5.2 桩号C1+250、12+207断面的最终沉沉降量

按照同样的原理计算,计算得出桩号C1+250、12+207断面的最终沉降量，C1+250、12+207断面最终沉降量计算结果表，见表2。

表2 C1+250、12+207断面最终沉降量计算结果表

6 典型堤段回填土的工程量和回填量系数估算及应用

由于本项目选择的3个典型断面的堤防施工过程中出现了滑移和坍塌，目前回填土的标高仍未达到设计堤顶标高，同时考虑到沿堤防纵向的外边界的变化和不同桩号采用了不同的堤防断面等原因，故在堤防横断面土方量面积计算的基础上，再分别考虑各堤防断面所辖的长度，按体积计算。土方回填系数为总的回填土方量V总与设计图计算土方回填量V0(即图上净量，不考虑固结过程)之比。

土方回填系数=V总/V0

总的回填土方量V总应包括4部分组成：已经完成土方回填量(根据勘察揭露出的新填土的面积估算，并假定这部分回填土超载引起的软土的固结已完成)+按设计图还需加高的土方回填量+还需加高部分的回填土引起堤基的最终沉降盆形曲线所围的面积对应土方量+原设计堤顶预留工后沉降量(回填超高厚度)之和。

经计算，各典型断面代表段位的沉降系数建议值，各典型断面代表段位的沉降系数计算结果表，见表3。

表3 各典型断面代表段位的沉降系数计算结果表

7 结 语

本海堤加固工程主要选择桩号6+956、C1+250、12+207三处典型断面进行补充勘测与沉降复核计算，采用极限平衡法分析了在目前堤防现状情况下继续加高至设计标高时，不同工况下3个典型堤防断面的抗滑稳定性，由计算得知，施工期为最危险工况，3个断面各工况下堤防的抗滑稳定安全系数均满足3级堤防抗滑稳定最小安全系数的要求。并对计算了3个断面的最终沉降量，结果表明，由于需再加高的厚度不大，并且堤基已有大量的前期已回填的土，所以3个典型断面的最终沉降量都比较小。