巢湖湖区口门导堤整体稳定及沉降分析

陶言祺

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

航道口门淤积主要由于河流的径流量[1]、输沙量，以及波浪造成的沿岸输沙等引起[2-4]。巢湖独特的湖流动力影响，巢湖湖区航道范围内泥沙运动较为活跃，白石天河口门及兆河口门处由于湖区常风向NNW风浪引起的泥沙运动而呈缓慢淤积的态势，再加上受到湖区水位的顶托作用，流速减小，水流挟沙能力减小，上游所携带的泥沙在口门处产生淤积，进而影响进出湖区航道的通航水深[5]。

为有效控制口门航道处湖底泥沙淤积对航槽的不利影响以及湖区风生流对通航水流的影响，根据巢湖湖床的演变规律，本次设计对白石天河口门和兆河口门处航道采取筑坝与疏浚相结合的整治措施，在口门航道两侧设置拦沙导堤，防浪挡沙，减小航槽回淤，并通过航槽疏浚使其达到设计水深的要求。

河口口门导堤多采用直立堤或斜坡堤[6]，斜坡堤通长采用抛石结构型式[7-8]，建在淤泥、软土地基上的导堤易沉降、产生稳定问题[9-11]。巢湖湖区口门地层为淤泥，因此，需要对其整体稳定和沉降进行分析。

1 工程概况

航道整治线宽度根据河段的具体情况和整治经验综合分析确定；口门有效宽度宜为1.0倍～1.5倍设计船长，口门有效宽度底边线至防波堤的距离应满足防波堤稳定的要求。白石天河口门处航道整治线宽度取180 m；考虑兆西河航道目前正在按照一级航道标准开展研究，为适应远期航道规划和船型发展，兆河口门处航道整治线宽度按220 m控制。

为了维护巢湖湖区航道入湖口门航槽的稳定，白石天河口门和兆河口门均在口门航道两侧新建拦沙导堤，以达到防浪挡沙、减小口门区航道回淤的功能。

2 湖区导堤

巢湖湖区白石天河口门和兆河口门处导堤均按接岸布置。其中白石天河口门航道处两侧导堤对称布置，左、右侧导堤长度分别为1.95 km，1.93 km；兆河口门航道处两侧导堤按不对称布置，左、右侧导堤长度分别为2.07 km，1.57 km。两处口门拦沙导堤长度共计7.52 km。本次拦沙导堤设计采用斜坡堤断面型式，具有整体稳定性好、对地基变形与承载力要求较低，对水流流态影响较小的特点，巢湖湖区多年平均水位7.1 m条件下，导堤工程附近湖区波浪平均波高约0.7 m。巢湖泥沙运动方式以悬浮运动为主，确保导堤拦沙效果，减小运营期航槽维护量，导堤高程不宜过低。为保证多年平均水位条件下平均波浪基本不越堤，导堤堤顶高程取7.8 m。

场地地层自上而下分别为：①层淤泥、②层粉质黏土、②1层粉土、③层淤泥质粉质黏土、④层粉质黏土、⑦层黏土、⑧层粉质黏土、⑧1层粉土、⑨1层强风化泥质砂岩、⑨2层中风化泥质砂岩。远离湖岸的导堤段堤基表层为淤泥层，厚度0.97 m～1.42 m；下部土层以淤泥质粉质黏土、粉质黏土和粉细砂为主，厚度变化较大，且多属低压缩性土，易产生不均匀沉降。

场地地基土力学指标表见表1。

表1 场地地基土力学指标表

根据巢湖湖区历年水文资料，并结合施工强度、施工能力等因素综合考虑，确定施工水位为6.8 m，具体施工时施工水位可根据施工当年工程区域水位情况进行调整。

3 导堤方案设计

3.1 导堤方案

根据巢湖湖区的自然条件、地质和水流特点，结合拦沙导堤总平面布置和断面型式，堤身结构选择对水流流态影响较小的结构型式。经过对抛石斜坡堤、抛填方块斜坡堤、袋装砂斜坡堤等结构技术与经济综合比选，抛填方块斜坡堤充分利用人工砌块来替代天然建筑材料，可以大大减少天然建筑材料用量，施工方便。堤身设计采用抛填人工砌块斜坡堤。

斜坡堤堤身边坡坡比取1∶2(航槽侧边坡取1∶1.5)。导堤顶宽3.0 m(堤头20 m范围内加宽至5 m)，顶高程7.8 m[12]。斜坡堤堤心采用人工砌块结构，为防止湖区波浪对堤身的破坏，需在堤顶和堤心结构外侧设置人工砌块护面或镂空驼峰型生态护面结构(其中除导堤接岸段50 m范围内采用镂空驼峰型生态护面结构外，其余段均采用人工砌块护面)。

考虑人工砌块制作工艺的差异，本次设计对人工砌块构件尺寸不做限制，仅要求堤心砌块规格按不小于(15 kg～410 kg)控制，护面砌块的单个块体质量应不低于490 kg[13]。其中导堤的堤心砌块结构应具有合理的级配(例如边长分别为20 cm,30 cm,60 cm的正方体砌块按100∶62∶10配比)，以增大密实度，减少孔隙率。

导堤断面见图1。

3.2 整体稳定及沉降分析

3.2.1 计算参数分析

口门处导堤结构的整体稳定和地基承载力不满足要求，需要进行地基处理。根据JTS 154—2018防波堤与护岸设计规范，综合考虑施工方便、经济效益等因素，本次对白石天河口门导堤和兆河口门导堤堤基范围采取袋装土护底进行地基处理，厚度60 cm。袋装土护底宽度范围约为35 m，以导堤中心为界，靠近航道一侧护底宽度为15 m，背离航道一侧护底宽度为20 m。袋装土充填土料采用黏性土，其天然重度应不小于19 kN/m3，塑性指数按大于10控制，施工单位需自行考虑土源，优先采用工程弃土。堤心采用固化石，堤基采用抛填袋装土挤淤，顶部设置一层土工格栅，参数详见表2。

表2 导堤材料参数

为了更准确的计算沉降量，统计各个土层对应压力下的孔隙比，计算沉降将采用e-p值导入软件进行计算。

白山口门土层参数见表3～表6。

表3 ③层淤泥质粉质黏土

表4 ②层粉质黏土

表5 ④层粉质黏土

表6 ④1层粉土

兆河口门土层参数见表7～表10。

表7 ③层淤泥质粉质黏土

表8 ②层粉质黏土

表9 ④层粉质黏土

表10 ②1层粉土

3.2.2 整体稳定、沉降计算

计算采用理正岩土6.5pb4-软土堤坝模块、有限元软件MIDAS-GTS-NX，计算考虑了堤内航道疏浚开挖，地下水位为高程4.2 m，堤内外水头差为1 m。在最不利工况组合下，对导堤系统进行验算。

1)理正岩土6.5pb4-软土堤坝模块计算结果汇总表见表11。

表11 导堤计算结果(一)

堤坝稳定计算图见图2。

计算结果显示导堤断面中部沉降大，两端沉降小，最大沉降达到588 mm，呈现典型盆形断面(见图3)，不均匀沉降明显，沉降后堤顶高程低于7.8 m。

2)MIDAS-GTS-NX计算结果汇总表。

有限元计算共划分12个施工步骤，提取主要步骤的计算结果，如表12所示。

表12 导堤计算结果(二)

有限元计算结果沉降云图显示最大沉降549 mm(见图4)，沉降断面呈盆形断面，与理正岩土6.5pb4-软土堤坝模块计算结果基本吻合，地基土体最大剪应变区域位于沉降断面中心地基土体沉降最大处，结果合理(如图5所示)。

3.2.3 整体稳定及沉降分析

堤身整体稳定满足要求，稳定系数小于1的滑弧均位于内侧1∶1.5坡面上，施工期坡面可能会导致局部失稳，建议放缓内侧堤身坡比。

从沉降变形来看，沉降断面有限元算法与经验公式算法一致，沉降断面为盆形，即中间大，两侧沉降小，出现明显的不均匀沉降，需要采取措施克服不均匀沉降，建议在堤身断面底部分层铺设土工格栅。

计算结果显示堤身沉降接近60 cm，设计需要考虑预留沉降量。施工时导堤需预留一定超高，以保证沉降稳定后堤顶标高满足设计要求，具体预留高度应结合施工期沉降监测数据综合分析确定。

4 施工技术

施工顺序：施工准备→扫床清障→堤基清理→铺设土工格栅→袋装土护底铺设→分级抛填人工砌块，并进行堆载预压→外坡碎石、块石垫层、护面块体施工→内坡碎石、块石垫层、护面块体施工。

抛填导堤不同位置的水深、地质条件、施工机具等确定施工工艺[14]。为防止加载过快堤身失稳，导致抛填量增大，建议施工设置试验段，近岸端部可采取一次抛填出水面的方式，湖区深水区域施工采用分层往复法抛填。

抛填块体的基本原则是：先深后浅，先点后线，薄层轮加，均衡上升。抛填人工砌块时要求砌块护面规则摆放、砌块堤心应根据不同规格，先粗后细分层抛高，厚度应均匀，不得出现空档或漏抛。

抛填人工砌块拟采用网格抛投法施工工艺，定点定量抛投，抛投船采用GPS定位的专业抛投船，船上配吊机。即施工前将抛投水域划分为矩形网格，将抛投工程量计入到相应网格中去，在施工过程中再按照预先划分的网格及其工程量进行抛投，从抛投量和抛投均匀性两方面有效地控制施工质量[15-17]。

1)确定的断面控制点，结合地形精确定位，确定抛填块体断面线上的起抛控制点和方向控制点，每个控制点均设置控制桩标示。

2)抛投定位船定位时，需要根据人工砌块入水的漂距来确定其定位偏移量。

3)抛前地形测量应在正式抛投前施测，抛投后的地形测量应在抛投完工后立即进行，以使其成果能较真实地反映抛前抛后的实际情况。对抛前、抛后及设计抛石坡度线套绘进行对比，要求抛后剖面线的每个测点与设计线相应位置的测点误差为±30 cm。

4)为避免抛填过程中抛投船移位间距过大，出现块体抛填不均匀，甚至出现空缺的情况，在施工前，均应预先按照抛投覆盖宽度制定出抛投船横向移动挡位。

5 结论

1)抛石导堤施工过程中，堤身内侧坡比宜缓，防止坡面局部失稳，块体滚入航槽，影响通航。

2)抛填导堤梯形断面堤身沉降呈现盆式断面，不均匀沉降大，为减少不均匀沉降，可采取挤淤、堤底铺设土工格栅、分层加载的组合措施。

3)软土地基上抛填导堤需要设置预留沉降量，使施工完成后，堤顶高程满足设计要求。

4)抛填过程应结合计算结果合理确定施工工艺和工序，可防止施工过程沉降量过大。