充砂管袋筑堤整体稳定性离心机模型试验研究

乔小利，左殿军,2，张宇亭,2，马希磊

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京 210098)

0 引 言

在我国大部分近海地区的海岸和海底都存在着海相或湖相沉积的软土层，厚度几米到几十米不等，如长江口、珠江口、渤海湾等地区，软土层的物理力学指标较差、承载能力较低，在这些地区建设海堤工程，沉降和稳定是两大关键性控制因素。国内外早期海堤结构以填筑传统土、石料为主，随着施工技术和材料科学的进步及理论研究的深入，传统石料堤心逐步被充填砂袋堤心、充泥袋堤心、大管袋堤心等方法代替。

工程实践表明，充砂管袋筑堤堤身稳定安全性影响因素主要有工程地质情况及地基处理措施，护面结构的防冲性，土工膜袋的耐久性等因素。学者针对软基海堤工程的稳定性进行了较多的研究。陈晓平，等[1]根据软土变形时效特性、自重应力场与流变场的耦合特性，建立了软土蠕变模型和渗流作用下的耦合应力场分析模型，并进行了验证。赵宇坤，等[2]对黄河下游堤防在水位骤降工况下的堤坡稳定状态进行了研究。高峰[3]认为在施工期间软土地区堤防既要考虑孔隙气压和孔隙水压对堤防稳定性的影响，同时也要考虑地基固结度提高对堤防稳定性的影响。赵寿刚，等[4]提出了黄河堤防渗透破坏标准的建议，对堤防渗流稳定性进行了探讨。A.S.Al-Homoud，等[5]提出了计算堤坝的三维滑坡稳定计算软件(PTDSSA)。H.Hasani，等[6]针对现场实际工程使用Geo-studio软件进行了滑坡和渗流分析。

笔者采用离心机模型试验针对天津市汉沽区海挡外移实际工程进行海堤工程安全稳定性进行研究。详细介绍了模型试验过程中所采用的模拟手段、模拟方式，获得了冲刷前后堤坝的变形实物图及位移场分布，试验结果对本区域内海挡工程设计具有一定参考意义。

1 工程背景

天津市汉沽区海挡外移工程位于汉沽区东南、渤海湾西北湾顶、蔡家堡至大神堂村之间的海岸带，距原海岸线约3.75～5.81 km(图1)。海挡外移工程轴线总长8 634.91 m，其中口门保护段长500 m，实际海堤长度8 134.91 m。海堤中东连接段长40.0 m，西连接段长2 599.6 m。北疆电厂沥水池西堤轴线与中心渔港引航道东挡沙堤轴线间外移海挡轴线长度6 097.31 m，海堤长度5 597.31 m。其东、西端分别与北疆电厂沥水蓄水池西堤、天津中心渔港引航道东堤相接。

图1 天津市汉沽海挡外移工程位置Fig.1 Location of Hangu sea block relocation project

海挡外移工程海堤堤顶设计高程6.0 m，胸墙顶高程7.5 m。堤顶宽度8.0 m，堤顶道路净宽6.0 m。堤身用50 cm厚通长充砂管袋填筑。充泥管袋用200 g/m2聚丙烯编织布(或机织布)缝制。海挡工程断面见图2。

图2 天津市汉沽海挡外移工程断面Fig.2 Sectional view of Hangu sea block relocation project

2 离心机模型试验概况

试验采用香港科技大学土工离心机，香港科技大学离心机建成于2001年，各项测试、监视设备齐全，配有四向机械手，可实现多功能模拟[6-7]。离心机主要设计指标：容量为400g-t，旋转半径为4.2 m，最大加速度150g(图3)。图4为试验所采用二维模型箱，其尺寸为1.25 m×0.35 m×0.85 m。

图3 香港科技大学土工离心机(400 g-t)Fig.3 Centrifuge of HKUST (400 g-t)

图4 离心机二维模型箱Fig.4 Two dimensional model box of centrifuge

本次试验的目的为研究堤坝的稳定性，因此堤坝的稳定性、位移和堤坝下土体的沉降变形为主要的检测对象。如图5，在模型箱中布置有两台数码摄像机(像素1 024×1 024)，两台高清数码相机(像素2 560×1 920)及两个LVDT竖向位移传感器对试验中变形进行监测。数码摄像机录制整个试验的过程，一台正对着堤坝的侧面，另一台安装在堤坝的正上方。高清数码相机用来记录试验过程的录像，在释放重液模拟应力释放效应时，设置相机拍摄图片的间隔时间为30 s，用于在试验结束后使用PIV软件进行土体的位移场分析。同时，在堤坝顶部和坡脚处分别安装LVDT竖向位移传感器来监测土体的竖向位移。

图5 监测装置布置Fig.5 Layout of monitoring device

2.1 模型比例

表1列出了离心机模型试验中的物理量比例关系，离心机模型试验中获得的结果与实际具有额定的比尺关系[7]。本次试验采用1 ∶100(模型 ∶原型)的离心试验模型。

表1 主要物理量比尺关系Table 1 Main physical ratio relationship

2.2 模拟方法

模型试验中采用的主要模拟方法主要有以下几种：①通过释放重液(ZnCl2)的方法模拟淤泥冲刷[8-9]；②采用具有相同荷载的丰浦砂垫层代替内侧淤积的淤泥；③将丰浦砂置于封闭的土工编织物袋中用于模拟充砂管袋，袋中的丰浦砂与现场的土体具有相同的密度；④使用计算得到的颗粒粒径范围的堆石料模拟护面结构进行堆筑。

图6为海挡工程标准断面的离心机试验模型设计图。模型箱左侧预留梯形体槽，模拟冲刷区域，与现场实际情况相对应得其深度、底部宽度和上部宽度分别为20，260和300 mm。堤坝位于模型箱的中间，其上部宽80 mm，下部宽400 mm，高80 mm，冲刷离堤脚最近的距离为175 mm。堤坝外侧的砂垫层厚度为10 mm，模拟现场1 m厚的泥沙淤积层。模型试验中主要使用的试验土料有：粉质黏土、堆石料和丰浦砂层。粉质黏土层下部为一层50 mm的丰浦砂垫层，用来提供排水路径；上部为充砂管袋和泥砂淤积层。

图6 离心机试验模型Fig.6 Diagram of centrifuge test model

2.3 模型试验设置

图7为模型试验设置图，其中图7(a)为本次试验中所采用的二维模型箱和照片处理技术(PIV)的参考点和控制点，参考点、控制点之间的间距为80 mm。试验完成后，依据参考点和控制点进行标定得到土体的绝对位移；图7(b)为土体固结时使用的排水系统，主要由4条PVC管子组成，每个管子上面预备多个排水孔，外侧用土工编织布进行包扎。图中左侧的两根水管连接到底部的排水系统用来控制水位；图7(c)丰浦砂垫层的制作，为了得到均匀的砂垫层，丰浦砂从模型箱顶部采用砂雨法撒入，其厚度为50 mm。采用水头饱和，排除砂中的空气；图7(d)为粉质黏土层制作，试验中，地基土为香港科技大学现有的粉质黏土，分两层土体(10.5 cm和11.5 cm)进行制样。与现场相同的干密度作为制样的控制参数，淤泥质粉质黏土和粉土的目标干密度为1.24和1.66 g/cm3，其含水量为16%。总的土层厚度为220 mm，分8层进行制样，每层土体的厚度为25～30 mm。制样的过程中，每层土的含水量有不同程度的损失，因此，每两层土样制备完成后，进行含水量的测试。完成每层土体后，在有机玻璃侧的土体撒黑砂(用于分析土体的位移场)，并把每层土体表面刮花。图7(e)为试样制备完成后的正视图和俯视图。图7(f)为用来盛放重液的无刚度橡胶模袋，橡胶模袋底部尺寸与预留的开挖槽大小一致。安装水袋后，进行测验，无漏水现象。把清水排除后，倒入事先配置好的重液在橡皮膜中。采用水头饱和的方式，从试样底部缓慢进水，直至达到并维持水位在试样的表面。

图7 模型试验设置图Fig.7 Model test setup

2.4 试验流程

本次试验对土体进行二次固结，并在高倍加速度下模拟开挖效应。具体的步骤如下：

1)升至100g。进行第一次固结离心机目标加速度为100倍重力加速度(100g)，整个升g过程为10 min。根据A.Asaka[10]提出判断固结度的方法，当位移传感器测量得到的土体沉降达到最终沉降的95%以上时，认为土体主固结完成。

2)降至1g。堆筑充砂管袋、护面块石和砂垫层第一次固结完成以后，在约60 min内降重力加速度到1g，堆筑充砂管袋、护面块石和砂垫层。图8为充砂管袋和砂垫层堆积完成后的模型图。堆筑完成后，进行第二次的高倍加速度固结。

3)升至100g。进行二次固结堆筑结束后，离心机的加速度再次升到100倍重力加速度(100g)，整个过程为3 h。

4)模拟冲刷。根据A.Asaoka[10]提出判断固结度的方法，当测得的土体沉降再次达到最终沉降的95%以上时，进行冲深模拟。打开控制开挖的阀门，将事先放置在开挖区域橡皮袋中的ZnCl2溶液会缓慢的排出，用来模拟淤泥冲刷产生的应力释放效应。维持离心机高速旋转(100g)1 h，得到淤泥冲刷一年后地基土和海挡的响应。

图8 固结完成后加载层Fig.8 Loading layer after consolidation

3 离心机模型试验结果及分析

图9、图10为冲刷前和外侧冲深2 m一年后堤坝断面的正视图和俯视图，可以看出,淤泥冲刷的深度为2 m，冲刷引起的土体位移较小，对于海挡工程影响较小。图11为土体位移场试验结果图，试验中，堤坝顶部和坡脚处安装了两个位移传感器来测量土体的竖向位移。3个月后，堤坝坡脚处和顶部的竖向位移分别为28和14 mm。考虑外侧冲刷深度2 m1年后，堤坝坡脚处和顶部的竖向位移分别为58和28 mm。

图9 冲刷前后堤坝正视图Fig.9 Front view of the dam

图10 冲刷前后堤坝俯视图Fig.10 Top view of the dam

图11 冲刷一年后的土体位移场Fig.11 Field displacement of soil erosion after one year

通过图11冲刷位移场可以看出，充砂管袋地基土层位移由内向外呈现水平滑动和竖向隆起的趋势，这说明充砂管袋筑堤有滑动失稳的危险性，同时，从位移场分布区域来看，在堤身外侧形成明显的滑动带。由此，可以看出采用土工离心机试验能够准确的模拟充砂管袋筑堤的安全稳定性。

4 结 论

笔者针对天津市汉沽区海挡外移工程，采用离心机模型试验对海挡工程的安全稳定性进行了研究，研究结论如下：

1)在离心机模型试验过程中，首先采用预固结技术手段模拟了充砂管袋筑堤的地应力平衡情况，然后采用了抽气压代替充砂管袋筑堤外侧冲刷情况，模型试验过程具有一定新颖性。

2)海挡工程外侧滩面冲刷深度2 m对海挡工程的安全稳定性影响较小，3个月后，堤坝坡脚处和顶部的竖向位移分别为28和14 mm；一年后，堤坝坡脚处和顶部的竖向位移分别为58和28 mm。

3)模型试验位移场结果表明，充砂管袋筑堤在外侧冲刷的条件下易形成滑动带，这说明采用离心机模型试验对海挡工程的安全稳定性研究对本区域内海挡工程设计具有一定参考意义。

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