深水软土地基上一种直立式沉箱新型海堤结构分析与探讨

卢育芳，田利勇

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市200061）

深水软土地基上一种直立式沉箱新型海堤结构分析与探讨

卢育芳，田利勇

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市200061）

经有效的地基处理，直立式沉箱海堤是一种可适用于深水软土地基的新型堤型，具有占地少、施工风险少等优点，能有效缓解筑堤砂石资源紧缺问题。从结构型式、稳定性、结构内力及变形分析、施工方法等方面进行探讨，并提出有待进一步研究的问题，为直立式沉箱海堤在围海工程中的应用提供参考。

直立式沉箱海堤；地基处理；堤身稳定结构内力施工方法

0　引言

随着上海市促淤圈围工程建设的迅速发展，经过近五十年的圈围，高滩资源已十分匮乏，圈围工程已向深水低滩及岛式区域发展，其水深、风浪、潮流等建设条件更加复杂，传统的斜坡式土石堤筑堤技术将越来越不适应圈围工程建设快速发展形势的新要求，劣势也逐渐突显出来。首先，传统堤型水下部位受施工条件限制，施工难度大，施工质量较难控制，且存在自身抗风险能力弱，维修费用较高等弊端；其次，传统堤型断面大，占地多，其经济性也随着滩面的变深而逐渐弱化；最后，块石和砂土作为一种不可再生资源，不可能被无限制地开采，材料问题将日益突出，一旦面临无砂石料可开采的危机，传统斜坡土石堤将难以适应圈围工程建设需求。因此需进行深水条件作业的新型海堤结构和工艺研究，以解决筑堤难度及材料紧缺问题。本文基于即将实施的本市某工程，提出直立式沉箱海堤新型海堤结构，围绕其关键技术难点，从堤身稳定、地基处理、结构内力和变形分析及施工方法等方面分析探讨其在圈围工程中应用的可行性，为以后工程应用提供技术基础。

1　新型海堤结构型式

本市某工程拟建海堤顺堤部位滩地高程约-6.0 m，海堤最大高度达16.0 m，地基表层软土厚度普遍达到10～15 m，为典型的深水软土地基筑堤工程。由于软土地基天然地基承载力较低，在天然地基上建设直立式海堤一般地基承载力和天然地基沉降量均难以满足要求，必须进行相应的地基加固处理。

1.1沉箱结构设计

沉箱采用钢筋混凝土矩形结构，根据各设计工况条件下沉箱自身稳定及整体变形控制将垂直堤身方向底板宽度初拟为18 m。沿堤线方向沉箱分段长度取15.0 m。从便于施工和节省投资出发，依据工程区域的多年平均高潮位初拟沉箱顶高程为4.50 m。沉箱结构底板厚度取700 m m，前、后趾宽均为1 000 m m。沉箱临水侧外壁厚500 m m，其余三侧外壁厚取350 m m，中隔墙厚取250 m m。每个沉箱被分隔为12个舱格，沉箱间垂直缝宽50 m m，单个沉箱体重约1532 t。

1.2堤前护滩设计

为防止墙前滩地受波浪淘刷，在堤前采用抛石和混凝土联锁块余排组合护滩，墙前15m范围抛石厚2.5 m，15～25 m范围抛石厚1.5 m，25～45 m范围采用混凝土联锁块余排防护。

1.3堤后抛石棱体和倒滤层设计

为减少堤后土压力并降低堤后水位，在堤后设减压抛石棱体，棱体顶高程为4.0 m，顶宽2.0 m，棱体表面设置倒滤层以防堤后土方流失，倒滤层结构设置由里往外分别为二片石层、碎石层和一层无纺土工布。

1.4上部结构设计

沉箱临水侧顶部设置现浇钢筋混凝土防浪墙。防浪墙底板厚1 500 m m，宽4 750 m m。防浪墙墙身迎水面为圆弧型，墙身厚度600～1 500 m m，墙顶高程为11.0 m。

堤顶宽10 m，布置7m宽防汛道路和1.5 m宽人行步道。堤顶后侧采用约1:7缓坡放坡至围内场地标高，确保海堤防渗路径长度满足防渗稳定要求。

1.5地基处理设计

本项目堤身高度超过15 m，沉箱基底最大平均应力接近300 kPa，远超过基底天然地基承载力，同时由于基底软土层厚度大，天然地基沉降量也将远超规范允许值200～250 m m，故需进行地基处理，以满足地基承载力及变形位移控制要求。

从工程经济性和施工可行性角度出发，初拟采用PH C管桩地基处理方式。沉箱底板作用范围采用17 m长管桩，除最前侧一排采用1 200 m m B型管桩，其余部位采用1 000 m m B型管桩，采用等边三角形布置，桩间距为3 m。为减小与墙后吹填土间的不均匀沉降，堤后设置4排1 000 m m B型PH C管桩，其中最靠近沉箱的一排桩长为17 m，其余3排为15 m，打入桩后15 m范围再设置塑料排水板过渡段。

1.6基床及褥垫层设计

桩基与沉箱底板之间如何进行受力传递是该堤型的重点难点问题，由于桩基顶部均位于水下，采用桩基与底板进行刚性连接方案实施难度大，并将增加工程投资，故研究考虑桩基与沉箱底板之间采用设置300 m m碎石褥垫层+1 000 m m厚抛石基床的过渡方式来解决两者间的受力传递问题。

直立式沉箱海堤设计断面见图1。

2　稳定性分析

2.1海堤稳定性

直立式沉箱海堤主要承受波浪力、水压力、土压力等水平荷载，竖向有扬压力、自重及上部荷载等。抗滑稳定验算主要分别计算沿沉箱基底、沿基床底的抗滑稳定性，抗滑稳定可按照《重力式码头设计与施工规范》（JTS 167-2-2009）及相关地基设计规范的相关方法计算；海堤整体稳定可按照《海堤工程设计规范》（GBT51015-2014）相关要求计算，此处不再详细叙述。对图1所示海堤，经计算，沉箱结构在最不利设计工况下各种稳定安全系数计算值及允许值见表1。从表1可知，海堤满足稳定要求。

表1　直立式沉箱海堤稳定计算成果表

（2）堤身沉降

堤身沉降采用以M i ndl i n应力计算公式为依据的单向压缩分层总和法进行基础最终沉降量的计算。选取正常长期运行工况中较大的地基应力，参照《地基基础设计规范》（DGJ08-11-2010）7.4.2推荐的公式进行沉降计算，计算得沉箱最大沉降量为233.4 m m，依据《重力式码头设计与施工规范》（JTS 167-2-2009）第2.5.9条，沉箱码头沉降量不应大于250 m m，故经地基处理后的直立式沉箱海堤沉降控制可满足要求。

图1　直立式沉箱海堤断面图（单位：mm）

3　结构内力及变形有限元模拟分析

由于沉箱海堤结构较复杂，且需要考虑水土作用，采用常规公式难以分析结构内力与变形，拟采用有限元软件对其结构内力及变形进行分析。

Pl axi s有限元软件考虑了土与结构相互作用计算，具有广泛的求解非线性问题的能力（非线性问题的时间步长能自动划分）、高效率和高级辅助系统等，因此本次数值模拟采用大型岩土工程专业有限元软件Pl axi s进行分析。

3.1模型建立

3.1.1土体本构模型选用

目前，岩土有限元分析常用的土体本构模型有：非线性弹性Duncan-Chang模型，弹塑性的M ohr-Coul om b模型［1］、DrukerPrager模型及DrukerPrager+ Cap模型［2］、修正剑桥模型［3］，H S模型、H SS模型等。

H S模型（H ardeni ng Soi lM odel）最先由 Schanz和 Schanz等［4］在 Verm eer的双硬化模型的基础上提出。Benz将小应变范围内土体剪切刚度与应变的非线性关系考虑进 H S模型，提出了H ardeni ng soi l sm al l-st rai n m ode（l简称为 H SS模型）。 H SS模型在描述土体剪切硬化、压缩硬化、加卸载、小应变等方面具有较强优势，本次模拟分析选用H SS土体本构模型。目前，H SS模型已经内嵌入岩土工程数值分析软件 Pl axi s，研究采用Pl axi s 2D软件选用H SS模型进行分析。

3.1.2计算模型

计算模型及网格划分见图2。计算模型尺寸为60 m（竖直）×130 m（水平）。模型水平向为X向，竖直向为Y向，且对X边界施加X向位移约束，Y边界施加Y向约束。采用等边三角形15节点单元模拟土体，采用板与桩单元分别模拟沉箱与桩基，沉箱与土之间采用界面单元。计算工况选取正常运用条件平均低潮位工况（墙前潮位1.80 m，墙后地下水位3.50 m）。

图2　计算模型及网格划分图

3.2数值模拟结构分析

3.2.1总体位移变形

直立式沉箱海堤整体沉降变形云图见图3，堤后最大沉降约900 m m。由于沉箱后侧设置了4排桩基，使得堤身和堤后沉降变形有形成一个渐变过渡区域。底板前址沉降量为198.3 m m，后踵沉降量为169.1 m m，不均匀沉降量为29.2 m m。底板总沉降量及不均匀沉降量均可满足正常使用要求。

图3　垂直位移云图（单位：m）

3.2.2桩基变形及内力分析

桩基位移变形见图4，桩基水平位移基本呈顶部大，越往下部变形越小的趋势，桩顶最大水平位移为73.3 m m，发生在底板下方靠后踵第二排桩。

图4　桩基位移图（单位：m）

桩基桩身弯矩内力见图5，第一排桩受墙前被动土压力作用最为显著，桩身产生的负弯矩最大，为1 633.5 kNm，小于桩的抗裂弯矩1 668 kN·m，可满足要求。最后一排桩受墙后吹填土挤压影响最显著，桩身产生的正弯矩最大，为708.9 kN·m，小于桩的抗裂弯矩1 003 kN·m，可满足要求。其余桩基弯矩内力最大出现在第三排桩，最大负弯矩为832.2 kN·m，故均可满足要求。

4　施工方案

直立式沉箱海堤施工内容主要包括基槽开挖、桩基施工、基床铺设、沉箱预制、沉箱上驳、沉箱运输、沉箱安装、堤前堤后抛石、堤后吹填、上部结构施工等。

图5　桩基桩身弯矩图（单位：kN·m）

实施步骤初步安排如下：施工准备（桩基、沉箱预制等）→基槽开挖→桩基及塑料排水板施工→基床抛石与整平→沉箱安装→沉箱内填土→堤前堤后抛石→堤后反滤层铺设→围内吹填、堤顶防浪墙施工→堤身上部回填土。

基槽由抓斗式挖泥船或耙吸式挖泥船进行开挖。

PH C管桩由陆上预制场预制，由预制场码头装驳船运输至现场，采用海上打桩船沉桩。

基床铺设所用的石料由驳船运至施工现场，基床抛石与整平可由专业的基床抛石整平船作业（长江口深水航道治理工程和港珠澳大桥岛隧工程均采用了相关专业施工设备）。

沉箱结构在预制场进行预制，采用4 000 t级浮船坞（半潜驳）拖到施工区域进行安装就位。

5　与传统斜坡式土石堤的比较

为对比分析直立式沉箱海堤与传统斜坡式土石堤的优缺点，拟从结构特点、筑堤材料、施工工艺、维修养护及工程投资等角度进行对比分析，详见表2。

根据上述对比分析可知，直立式沉箱海堤在占地、运行维护方面较传统斜坡式土石堤有一定优势，且可有效缓解筑堤砂石料紧缺问题，施工机械化、装配化程度也相对较高，经济方面旗鼓相当，具备一定的可行性。

6　结语

在深水低滩圈围中，直立式沉箱海堤与传统斜坡式土石堤结构相比，主要优点有：堤身占地少；砂石料用量少；沉箱、管桩可以实现“大型化、工厂化、标准化、装配化”施工，施工风险小；外表面均为钢筋混凝土结构，抗波浪等冲刷能力强。经济上优势尽管不是很明显，但特别适合于缺少筑堤砂石材料的深水软土地区的圈围工程中，在防波堤、码头及筑岛工程中也有很好的应用前景。

表2　直立式沉箱海堤与斜坡式土石堤对比分析表

直立式沉箱海堤作为在深水软土地基圈围中一种全新的围堤结构型式，主要还存在以下问题：

（1）本文提出的对沉箱直立堤基础采用复合桩基处理，目前尚未有类似工程经验可借鉴，对复合桩基础与上部结构共同作用机理尚需进行进一步研究。

（2）本文对深水软土地基直立式沉箱海堤的研究还偏于理论方面，该新型海堤结构的内力及变形控制能否达到预期效果还需要实际工程检验，建议寻求小型码头或者防波堤工程进行专门的试验，通过在施工及运行过程中的结构变形及内力监测，检验理论研究的准确性，并对观测数据进行反演分析，使计算参数取值进一步合理化，为推广应用提供实践经验和设计依据。

（3）沉箱直立堤的经济性和可实施性与沉箱结构预制场地的远近、规模及运输满足程度密切相关。

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TV36

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1009-7716（2016）09-0166-04

2016-04-15

卢育芳（1968-），女，浙江东阳人，副总工程师，高级工程师，从事水利工程设计与咨询工作。