海塘提高防御标准设计稳定分析探讨

夏 咏，袁文喜

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

在国内，工程设计人员通常依据GB/T 51015—2014《海堤工程设计规范》进行海塘整体稳定计算，使建筑物达到相应级别安全系数要求（见表1）。规范中对土体强度指标的选取要求为：施工期施工速率较快，地基不发生固结排水，应取直接快剪指标Cq、φq，或三轴不固结不排水指标Cuu、φuu，或十字板强度指标Cu；施工加荷速率较慢，分期施工或地基设置竖向排水设施时产生排水固结，计算时应考虑施工期土体强度增长。

表1 海堤整体抗滑稳定安全系数表

由于坝体填筑过程中会产生瞬时孔隙水压力，并随时间逐渐消散，土体逐步固结，有效应力不断提高，但瞬时孔隙水压力难以测得，有效应力法很难直接使用，通常测定固结不排水强度指标进行总应力法计算。

对于在老塘上进行提标加固的项目而言，加固前地基土本身在正常运行过程中会发生固结排水，参数可以按照固结不排水指标取用。但提标加固时，按照施工期控制，设计人员往往取用快剪指标。若新增荷载不多、附加应力增加不大，地基土参数全部取直接快剪指标或三轴不固结不排水指标，会导致计算出的安全系数明显偏低。所以，结合分期施工和设置排水设施的因素，提标加固设计既要考虑因老塘坝体填筑后产生的附加应力引起基础插板区固结度的变化，又要考虑由于地基土体尚未固结完全，抗剪强度需有一定折减。

2 理论基础

2.1 固结不排水抗剪强度

不排水抗剪强度计算基于摩尔-库伦强度准则：

式中：τf为破坏面上的剪应力，kPa；C′为土的有效凝聚力，kPa；σ、σ′分别为破坏面上总应力和有效法向应力，kPa；φ′为土的有效内摩擦角，°；μ为孔隙水压力，kPa。

饱和软土地基上筑坝示意见图1。地面以下H处的抗剪强度τf可表示为公式（2）：

图1 饱和软土地基上筑坝示意图

式中：σ′为计算点法向有效应力，kPa；γ1为坝体容重，kN/m3；γ2为地基土容重，kN/m3；h为坝体高度，m；H为地基计算点深度，m。

文中，h代表老塘高度，对于老塘自重产生的附加应力引起下部地基土抗剪强度增长可适当予以考虑，以地基土的平均固结度U表示：

式中：U为固结度，指土体发生固结或者孔隙水应力消散程度；u0为初始孔隙水应力，kPa；u为t时刻孔隙水应力，kPa。

对于深厚软土地基筑坝稳定计算，根据SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》、GB/T 51015—2014《海堤工程设计规范》等规定，可选用瑞典圆弧法和简化毕肖普法，采用总应力法或者有效应力法进行分析。

总应力法计算公式：

有效应力法计算公式：

式中：αi为第i个土条底面中点的径向与竖直方向的夹角，°；φi、Ci为第i个土条的总抗剪强度指标，°、kPa；φi′、Ci′为第i个土条的有效抗剪强度指标，°、kPa；bi为第i个土条的宽度，m；ui为第i个土条底部的孔隙水压力，kPa；γw为水的容重，kN/m3；Zi为坡外水位线高出第i个土条底面中点的距离，m。

前面已经阐述，对于提标加固的项目，地基土尚未完全固结，但考虑排水插板等作用，老塘重量产生的附加应力增量可部分转换成有效应力。若按照式（6）～（7）的2种方法，公式中老塘荷载均全部按照有效应力考虑，乘以tanφi转化成抗剪强度，提高了抗滑力，使得计算出的安全系数的值偏大，这是不合适的。

2.2 “Cu = Su，φu = 0”法

为解决上述问题，考虑采用“Cu=Su，φu= 0”法分析。对于饱和软黏土，土的渗透系数极低，假定其孔隙率保持不变，原状地基土恢复到原始孔隙率，在不排水条件下，得到固结不排水指标Ccu、φcu，以确定固结不排水强度Su值作为凝聚力Cu。此时，地基土某一点的抗剪强度参数可表示为：

参数代入（6）、（7）式计算，由于φu= 0，提标加固时新填筑部分坝体的重量W1不引起抗滑力变化，其地基某点的抗剪总强度Su仅取决于地基加固前的状态，并随地基深度H变化。计算时，新填筑部分采用直接快剪指标。对于每层土的Su值按照每一层土的平均深度H取用，土层厚度根据不同土的类型均匀划分。

3 工程案例

3.1 基本情况

工程位于浙东沿海，现状防潮标准为50 a一遇，海塘为3级建筑物，原设计塘顶高程为7.2 m，塘顶总宽6.0 m。海塘地基为深厚淤泥层，采用塑料排水插板法进行海塘基础处理，排水板插入涂面最大深度为25.0 m，原设计断面见图2。海塘安全运行多年后，最大沉降81.9 cm。本次提标按照防潮标准100 a一遇设计，塘顶高程抬升至8.0 m，海塘提标设计计算断面见图3。

图2 海塘原设计断面图

图3 海塘提标设计计算断面图

3.2 地质指标

综合勘察成果，海塘基础淤泥质土层厚度一般大于20.0 m，Ⅱ1、Ⅱ2层含水率高，孔隙比大，压缩性高，抗剪强度低，是海塘基础沉降及稳定的主要控制土层。经对比，海塘建成后，地基土层的物理力学性质有一定程度提高，尤其是采取工程措施进行处理的表部Ⅱ1层。具体地质指标见表2。

表2 地基土的岩土力学特性试验成果表

计算时，选定原始涂面为海塘与地基的分界线，插板区考虑海塘自重引起地基抗剪强度增长，用平均固结度U控制不同深度H处附加应力引起的有效应力值的大小。基于试验成果，对于插板区考虑固结度U=0.0～0.8，随深度H变大，U值逐渐降低。总强度Su计算成果见表3～4。

表3 插板区地基土不排水总强度Su计算成果表

表4 非插板区地基土不排水总强度Su计算成果表

3.3 计算成果

海塘稳定计算成果见表5。

表5 海塘稳定计算成果汇总表

续表5

综合计算成果分析，运用“Cu=Su，φu= 0”法进行海塘整体稳定计算，既能客观反映工程建成以后，地基土逐步固结，抗剪强度提高，稳定性提升这一过程，同时又不考虑新筑塘身抗滑力，不高估其安全系数；海塘提标后断面安全系数接近或高于原断面安全系数，认为结构优化是合适的。

4 结论和建议

本文主要对海塘提标加固过程中整体稳定分析方法进行探讨，采用“Cu=Su，φu= 0”法分析，既考虑插板区老塘重量产生的附加应力引起地基土土体抗剪强度增长，又解决了采用快剪指标或三轴不固结不排水指标导致安全系数明显偏低，或直接使用有效应力参数Ccu和φcu代入计算而高估其安全系数等问题。这一方法的应用将有助于合理优化海塘结构断面，在满足安全的前提下，体现其经济效益，并对今后类似工程设计具有借鉴意义。下一步，将进一步分析敏感参数对安全系数的影响，包括固结度U的取值及径向与竖向夹角α等。