深淤泥基础海堤断面结构与滑动稳定关系初探

黄朝煊，方咏来，袁文喜

（浙江省水利水电勘测设计院，杭州310002）

深淤泥基础海堤断面结构与滑动稳定关系初探

黄朝煊，方咏来，袁文喜

（浙江省水利水电勘测设计院，杭州310002）

对采用排插板法进行基础处理的深淤泥海堤断面总宽度进行了深入研究，通过对浙江沿海地区淤泥土物理力学参数统计回归分析，得出了淤泥天然抗剪强度与天然含水量之间的经验关系。基于北京理正软件进行大量滑动稳定计算，分析了海堤宽度B与海堤高H、淤泥层天然抗剪强度指标、淤泥层厚度之间的关系，并得出了海堤断面总宽B的计算公式，并通过工程实际进行检验计算，得出本文公式与实际工程基本吻合。此外，对海堤滑动安全系数随淤泥抗剪强度指标变化关系进行了敏感分析，认为内摩擦角对海堤抗滑安全系数的影响比凝聚力的影响更敏感。

海堤滑动稳定；淤泥抗剪强度；淤泥天然含水量；淤泥临界深度；海堤底宽

1 工程背景

海堤是为了防御风暴潮水和波浪对防护区的危害而修建的堤防工程，海堤结构稳定关系重大。文献［1］和文献［2］中海堤结构型式有斜坡式、陡墙式和混合式断面3种，依据浙江省水利水电勘测设计院设计经验［3－4］，一般从消浪防冲观点推荐带平台的混合式断面型式，但影响结构型式的因素很多，因地制宜至为重要。

毛昶熙［5］利用软件考虑波浪及潮位作用，对海堤渗流及抗滑稳定进行了分析，陈善民［6］分析了土工布加筋对海堤抗滑稳定的影响，认为加筋更有利于海堤稳定。

由于浙江省对海洋经济发展的关注，浙江等沿海地区围垦工程投入越来越大，海堤结构稳定尤为重要。基于此，研究了深层淤泥下的海堤断面的结构与滑动稳定关系，分析了采用排水插板排水固结法进行基础处理的海堤断面结构对海堤滑动稳定的影响，为海堤断面结构的优化设计提供基础。

浙江省已建和在建的深淤泥海堤工程较多，本文列举了浙江省水利水电勘测设计院设计的采用排水插板排水固结法进行基础处理的大断面海堤［3－4］。浙江省水利水电勘测设计院设计的2项典型大型围垦工程：温州市龙湾二期围垦工程和瓯飞一期围垦工程进行了分析，2种工程均是深淤泥涂面的大断面海堤结构，涂面高程均较低，分别为－1．5，－4．0 m左右，海堤顶高程为8．0 m左右，海堤断面较大，对其断面结构形式优化将节省大量工程投资，可见对大断面海堤结构形式的优化设计研究是很有必要的。

2 淤泥抗剪强度分析

淤泥土的抗剪强度指标与含水量之间存在一定关系，本文对浙江沿海地区的淤泥土的抗剪强度指标与含水量之间的关系进行了统计，见表1，其散点图见图1、图2。通过图1、图2可知，虽然不同地区同样含水量的淤泥土抗剪强度存在差异，但总体可知天然含水量越大，淤泥的天然抗剪强度指标就越小，本文通过统计回归分析，得出了浙江沿海地区海相淤泥天然抗剪强度与天然含水量之间的经验回归公式。

图1 淤泥凝聚力与天然含水量关系Fig．1 Relation between cohesion and natural water content of silt

图2 淤泥内摩擦角与天然含水量关系Fig．2 Relation between internal friction angle and natural water content of silt

表1 浙江沿海地区海相淤泥质土含水量与抗剪强度关系Table 1 Relation between water content and shearstrength ofmucky soil in the coastal areas of Zhejiang Province

通过统计回归分析法，得出淤泥的快剪凝聚力c（kPa）与天然含水量w（%）之间关系为

淤泥的快剪内摩擦角φ（°）与天然含水量w（%）之间关系为

3 海堤断面结构与滑动稳定关系分析

对采用排水插板排水固结法基础处理的海堤，其断面大多采用组合式全抛石断面，其断面形式见图3，其外海侧采用抛石堤身，消浪可采用四脚空心块、栅栏板、扭王块等（可根据实际风浪大小选取）；围区侧为子堤和闭气土回填；基础处理为铺垫土工布，再铺上1．0 m厚碎石垫层，然后在其上打排水插板。

图3 海堤滑动稳定Fig．3 Schematic of sliding stability of seawall

由于淤泥抗剪强度指标是影响海堤滑动稳定的关键因素，淤泥土会随堤身堆载的附加应力作用排水固结而增大抗剪强度，海堤规范［1］中给出了正常固结下涂面淤泥抗剪强度增加与固结度、堆载附加应力之间的关系，其抗剪强度增加量计算值与施工过程、加载时间等均有密切关系，计算复杂。因此，本文对排水插板处理区抗剪强度指标取0．85倍的固结快剪指标值（即完建期固结度取85%）［2］，以简化固结对淤泥抗剪强度增长的影响（见海堤规范［1］中10．2．3条）。

依据海堤设计规范［1］，海堤滑动安全系数计算公式，在瑞典条分法且等步长条分土条时，采用总应力法计算，即

式中：K0为采用瑞典圆弧滑动总应力法下的安全系数；W1，W2i，W3i为第i个土条浸润线以上的土体的天然重度、浸润线与外坡水位之间的土体的浮重度、外坡水位以下的土体的浮重度，单位：kN；αi为第i个土条底面中点的径向与竖向方向夹角（°）；Φi，Ci为第i个土条底部土体的总抗剪强度指标，（°），单位：kPa；Bi为第i个土条的宽度，单位：m；T织物表示海堤排水插板碎石垫层下的土工材料的抗拉强度，单位：kN／m。

为了便于计算，将海堤断面模型进行了近似简化，通过理正软件进行大量滑动稳定计算，可知：①海堤滑动圆弧中心角一般为90°～135°；②滑动圆弧起点一般在堤顶附近；③海堤高度H越大，淤泥抗剪强度越小（其天然含水量越大），则海堤滑动范围越大，即滑动半径越大，其镇压平台需越宽才能保证海堤滑动稳定安全，此时，海堤断面总宽度也就越大。

依据海堤设计规范［1］，分析海堤抗滑安全系数与滑动圆弧半径之间关系。本次计算取海堤顶宽b1＝6 m，海堤一级平台宽b2＝15 m，抛石重度γ＝19 kN／m3，淤泥重度γ＝17 kN／m3，海堤高度H分别取6，8，10，12，14 m，淤泥层天然物理力学指标为（其中抗剪强度根据本文拟合公式（1）和公式（2）计算，后文将再根据实际抗剪强度修正处理）：①w＝45%，c＝9．8 kPa，φ＝6．7°；②w＝50%，c＝7．7 kPa，φ＝5．2°；③w＝55%，c＝6．1 kPa，φ＝4．1°；④w＝60%，c＝4．9 kPa，φ＝3．2°。通过理正软件计算得瑞典圆弧法下，海堤最危险滑动安全系数与滑动半径及淤泥层物理力学参数之间关系曲面，见图4。

图4 海堤滑动安全系数与滑动半径及堤高关系Fig．4 Relations among sliding safety coefficient，sliding radius and seawall height（w ith different natural water contents of silt）

通过图4可知，在淤泥含水量越大（抗剪强度越小）、海堤越高，则海堤最危险滑动圆弧就越大。依据海堤规范［1］中10．2．3条滑动安全系数控制标准，本文给出海堤在满足最小滑动安全系数下的滑动圆弧半径R与海堤高H及淤泥天然物理力学指标之间的关系曲线图，见图5。

图5 海堤最不利滑动圆弧半径与堤高关系Fig．5 Relations between the radius of themost unfavorable slip circle and the seawall height

通过曲线拟合软件“CurveExpert 1．3”拟合，得海堤高H、最不利滑动半径R与淤泥含水量w之间的二元关系为

式中：参数H为海堤高（m）；w为淤泥层天然含水量（%）；R为海堤最危险滑动半径（m）。

但实际工程中，同一含水量的淤泥其抗剪强度有一定波动，基于此，在淤泥抗剪强度指标c，φ波动时，对海堤结构稳定影响的简化敏感性进行了分析。由于海堤抗滑稳定安全系数是淤泥抗剪强度指标c，φ的多元函数，在分析其中一个变量的敏感性时一般取其他变量暂为定值，以便简化，因此本文取淤泥天然物理力学参数为w＝50%（相对常见），c0＝7．7 kPa，φ＝5．2°，分别对淤泥凝聚力、内摩擦角进行敏感分析：①在淤泥内摩擦角φ0＝5．2°时，分别取凝聚力c变化率为50%，75%，100%，125%，150%；②在淤泥凝聚力c＝7．7 kPa时，分别取内摩擦角φ变化率为50%，75%，100%，125%，150%。分析海堤最不利滑动半径随其淤泥抗剪强度变动的敏感性，见图6，可见当海堤高度固定、淤泥层内摩擦角固定而凝聚力减小时，海堤最危险滑动半径R则增大；当海堤高度固定、淤泥层凝聚力固定而内摩擦角减小时，海堤最危险滑动半径R也相应增大。

通过对图6分析得，同样变化率下内摩擦角对海堤最危险滑动半径R的影响比凝聚力影响大，因此，本文认为内摩擦角对海堤抗滑安全系数的影响比凝聚力的影响更敏感。

通过曲线拟合软件“CurveExpert 1．3”分析淤泥凝聚力、内摩擦角对海堤最危险滑动半径即公式（4）的修正，从而得到考虑淤泥抗剪强度波动后的最危险滑动半径。

图6 淤泥抗剪强度指标对海堤最不利滑动圆弧半径的敏感分析Fig．6 Results of sensitive analysis on the impact of silt’s shear strength on the radius of themost unfavorable slip circle

式中淤泥抗剪强度修正参数由图6拟合得：kc＝0．31 c＋0．69；k＝0．77φ＋0．23。其中参数c，φ

cφφww

w

w为本文拟合公式（1）、公式（2）计算得经验拟合参数；c，φ为淤泥实际快剪强度指标，其它参数同公式（4）。

本文公式（5）是在假设淤泥层厚度充分大时得

R计算公式为到的，但实际工程中淤泥层可能深度小于公式（5）中圆弧半径滑动范围，此时需对海堤滑动半径进行适当修正。

根据公式（5），可定义淤泥的临界深度为

式中：R由公式（5）计算；参数h0为海堤子堤的高度（m）。

当海堤淤泥层厚度大于临界深度Lcr时，最不利滑弧在淤泥层内部，此时淤泥层深度对海堤的滑动稳定影响不大；当海堤淤泥层厚度小于临界深度Lcr时，实际最危险滑动面由淤泥层深L、及下层土的抗剪强度指标联合控制，实际最危险滑动半径需对公式（5）适当修正。

当淤泥深度小于该临界深度时，即L＜Lcr时，实际滑动半径需对公式（5）进行适当修正，本文结合理正软件大量计算分析，依据含水量关系进行线性修正，修正后的海堤最不利滑动半径与海堤高、淤泥抗剪强度之间关系如公式（7）。

式中：R修正考虑下层土影响的多层地基最危险滑动半径（m）；w淤泥为淤泥层天然含水量（%）；w下层为下层土天然含水量（%）；L为淤泥层厚度（m）；R由公式（7）给出（m）；h0为海堤子堤的高度（m）。

由此导出海堤宽度为

将公式（5）、公式（7）代入公式（8）得海堤断面建议宽度为

为了验证本文公式（9）和公式（10），本文对工程实际进行了验证计算，见表2。由表2可知，本文公式比工程实际设计值稍小，但基本一致，可见本文公式（9）、公式（10）是合理可行的。

4 结 语

本文对采用排水插板排水固结法进行基础处理的深淤泥海堤大断面宽度进行了深入研究，主要得出以下结论：

（1）通过大量淤泥物理力学参数统计得出了淤泥抗天然抗剪强度与天然含水量之间的经验关系，并给出了经验拟合公式。

（2）基于理正软件，通过大量计算，分析了大断面海堤宽度B与堤高H、淤泥层天然抗剪强度指标、淤泥层厚度之间的关系，并得出了大断面海堤宽B的计算公式，通过实际工程进行检验计算，得出本文公式与实际工程基本吻合。

表2 本文海堤宽度经验计算公式与工程实际设计比较Table 2 Comparison between the w idths calculated by the empirical formula in this paper and the actual engineering design values

（3）对海堤滑动安全系数随淤泥抗剪强度指标变化关系进行了敏感分析，认为内摩擦角对海堤抗滑安全系数的影响比凝聚力的影响更敏感。

（4）提出了淤泥层的临界深度Lcr，当海堤淤泥层厚度大于临界深度Lcr时，最不利滑弧在淤泥层内，可按单淤泥层地基滑动稳定理论计算，此时淤泥层深度对海堤的滑动稳定影响不大；当海堤淤泥层厚度小于临界深度Lcr时，最不利滑动面由淤泥层深L、及下层土的抗剪强度指标联合控制，需按多层地基滑动稳定理论计算。

由于本次对海堤滑动安全系数计算时作了一些简化假设，使得计算成果难免出现一定误差；同时，当海堤淤泥层深度较浅而小于临界深度时，本文对最危险滑动半径R的修正，主要依据淤泥层土和下层土的含水量关系进行线性修正，未考虑下层土的实际抗剪强度指标的差异性影响。基于以上不足，笔者将对该问题进行深入研究。

［1］ SL435—2008．海堤工程设计规范［S］．北京：中国水利水电出版社，2009．（SL435—2008．Specification for the Design of Seawall Project［S］．Beijing：China Water Power Press，2009．（in Chinese））

［2］ 浙江省海塘工程技术规定（上、下册）［S］．杭州：浙江省水利厅，1999．（Specification of Zhejiang Seawall Engineering［S］．Hangzhou：Zhejiang ProvincialWater Resources Bureau，1999．（in Chinese））

［3］ 浙江省水利水电勘测设计院．浙江省温州市龙湾二期围涂工程初步设计报告［R］．杭州：浙江省水利水电勘测设计院，2010．（Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-Electric Power．Preliminary Design Report for the Longwan Phase-II Enclosed Tideland in Wenzhou，Zhejiang［R］．Hangzhou：Zhejiang Design Institute ofWater Conservancy and Hydro-Electric Power，2010．（in Chinese））

［4］ 浙江省水利水电勘测设计院．浙江省温州市殴飞一期围涂工程可行性研究报告［R］．杭州：浙江省水利水电勘测设计院，2011．（Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-Electric Power．Preliminary Design Report for the Oufei Phase-I Enclosed Tideland in Wenzhou，Zhejiang［R］．Hangzhou：Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-Electric Power，2011．（in Chinese））

［5］ 毛昶熙，段祥宝，毛佩郁，等．海堤结构型式及抗滑稳定性计算分析［J］．水利学报，1999，（11）：30－37．（MAO Chang-xi，DUAN Xiang-bao，MAO Pei-yu，etal．Analysis on Structural Shape of Sea Dyke and Its Sliding Stability［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1999，（11）：30－37．（in Chinese））

［6］ 陈善民，周洪峰，孟松兔，等．海堤工程软基土工布加筋的抗滑作用分析［J］．岩土力学，2003，24（4）：661－665．（CHEN Shan-min，ZHOU Hong-feng，Meng Song-tu，et al．Stability Analysis of Seawall Built on Soft Subgrade Reinforced by Geotextile［J］．Rock and Soil Mechanics，2003，24（4）：661－665．（in Chinese） ）

（编辑：姜小兰）

Prelim inary Study on the Relation Between Cross Section Structure and Sliding Stability of Seawallw ith Deep Silt Foundation

HUANG Chao-xuan，FANG Yong-lai，YUANWen-xi
（Zhejiang Design Institute ofWater Conservancy and Hydro-Electric Power，Hangzhou 310002，China）

The width of cross section of seawallwith deep silt foundation treated by drainage and solidification was investigated in depth．By statistical regression analysis on the physical-mechanical parameters of silt in coastal areas of Zhejiang province，the empirical relationship between the natural shear strength and naturalwater content of silt was obtained．On the basis of sliding stability calculation，the relations among thewidth B and height H of the seawall，the natural shear strength index of silt-seam，and the thickness of silt-seam were analyzed．The formula of seawall’s totalwidth B totalwas also gained．Verification showed that the result of the formula was consistentwith the actual project．In addition，sensitive analysis was carried out to research the variation of sliding safety coefficient against the change of silt shear strength．Itwas found that the impact of internal friction angle on anti-sliding coefficientwas larger than that of cohesive force．

sliding stability of seawall；shear strength of silt；natural water content of silt；critical depth of silt；

TV447

A

1001－5485（2013）02－0062－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．013

2011－12－26；

2012－04－24

黄朝煊（1983－），男，湖北黄石市人，工程师，硕士，主要从事水工结构工程研究，（电话）13819483276（电子信箱）516227811＠qq．com。

bottom width of seawall