某海堤与水闸连接段粉砂质地基处理方式研究

刘建飞 任红侠

摘要：海堤与水闸的地基处理方式及上部荷栽差异显著，两者极易产生不均匀沉降，严重影响其自身安全及减灾效益的充分发挥，急需研究预防措施。在对浙江东部海堤和水闸进行现场调研和现状分析后，选取粉砂质地基上的典型海堤和水闸，利用数值模拟软件FLAC3D，计算海堤与水闸连接段采用3种不同地基处理方式后海堤、水闸及其连接段的沉降值及其沉降差。经过进一步比较和分析后发现，海堤与水闸连接段粉砂质地基处理时，水闸相连端与水闸地基处理方式相同，海堤相连端与海堤地基处理方式相同，中间段地基沿连接段长度方向从水闸地基处理方式渐变为海堤地基处理方式，可实现地基承载力和刚度的渐进变化，减小海堤与水闸之间的不均匀沉降。

关键词：粉砂质地基;海堤与水闸连接段;地基处理;数值模拟;不均匀沉降

中图分类号：TV871

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.029

1 引言

浙江东部（以下简称“浙东”）沿海上虞到慈溪北部广泛分布着粉砂土。粉砂土是工程建设时经常遇到的一种土，由于粉砂土地基处理的效果直接影响其上建筑物的安全，因此工程技术人员对粉砂土地基加固处理问题进行了一系列探讨。俞伟[1]针对某拟建水闸，利用有限元法模拟分析其地基加固方案，为设计提供参考;王涛等[2]利用ABAQUS软件计算某水闸地基采用振冲碎石桩加固处理前后的沉降值，分析粉砂土地基的沉降规律;余锦地等[3-4]研究发现采用无填料振冲挤密法分别处理典型闸站和海堤粉砂土地基能显著增加其密实度和承载力，减小因地基密实度不足而导致的沉降，效果较为理想，达到了设计要求。工程技术人员对粉砂土地基上修建的单一建筑物不均匀沉降研究較多，也取得了预期的效果，但有关相邻建筑物之间不均匀沉降的研究相对较少，尤其是海堤和水闸，通常采用不同的地基处理方式，且上部荷载差异较大，普遍会产生不均匀沉降。这一问题与公路和桥梁之间产生的不均匀沉降相似，工程技术人员经过大量研究和实践后提出采取泡沫轻质土[5-6]、泡沫混凝土[7]、桩承式加筋路堤与路堤填土加筋技术[8-10]等处理桥梁台背过渡段，公路和桥梁之间设置过渡搭板[11]以及变化桩长的桩体处理公路和桥梁过渡段地基[12-15]等预防措施，可供借鉴。

公路和桥梁之间产生的不均匀沉降与海堤和水闸（以下简称“堤闸”）之间产生的不均匀沉降，成因是相同的，但由于后者往往地质条件更差，处理难度更大，产生不均匀沉降后的危害更大，因此对其预防措施的要求更高[16]。

通过多年的调查与研究，我们发现这种不均匀沉降进一步发展会导致堤闸连接段发生裂缝和漏水险情，严重时会导致其上建筑物失稳，危及海堤、水闸自身安全及其防御风暴潮作用的充分发挥。目前这一问题还处于初步研究阶段，且主要针对淤泥质地基上修建的海堤和水闸，其解决思路是在堤闸结合处设置过渡段（即连接段）.在连接段采取有针对性的地基加固方式、优化海堤断面型式、选用部分轻质筑堤材料代替土石料[17]以及合理的堤闸连接方式等措施[17-18]，有关粉砂质地基上修建的海堤和水闸研究较少。

前期研究已发现堤闸连接段地基加固方式是影响其不均匀沉降的主要因素[19]。笔者以典型粉砂质地基上的海堤、水闸及其连接段为研究对象，结合海堤、水闸及其连接段的结构特点，通过典型工程地质条件分析和地层等效与概化，利用FLAC3D软件构建数值模拟模型，分别模拟了3种堤闸连接段地基加固方式，计算对应的水闸、海堤和连接段在工后10 a内的沉降值及其沉降差。对计算成果进行比较分析，选择粉砂质地基上堤闸连接段最理想的地基加固方式，探讨减小其差异沉降的途径。

因为堤闸连接段地基承载力和刚度的突变是产生不均匀沉降的主要原因，所以提出堤闸连接段采用变刚度地基处理技术。该技术可以解决堤闸连接段变形协调问题，实现水闸一连接段一海堤之间地基承载力和刚度的渐进变化，为新建或改建堤闸连接段提供技术指导，避免堤闸连接段发生严重的不均匀沉降及由此导致的灾害。

2 工程概况

浙江省宁波市某围涂工程包括两段总长29  164 m的围堤和4座排涝闸，围区总面积为7 080 hm2。该工程为Ⅲ等工程，海堤及沿线水闸为3级建筑物，防潮标准都是50 a一遇设计、100 a一遇校核。笔者以其中一段海堤、一座水闸及其连接段为研究对象，该水闸为中型水闸，设计过闸流量为280 m3/s，7孔x4 m.闸室顺水流方向长15.7 m.交通桥面高程为6.63 m。

工程区所处的大地构造单元为华南褶皱系，浙东南褶皱带的新昌一定海断隆区。浙江东部的华夏系构造是该区古构造的重要基础，构成了该区的主要构造格架[20]。该区附近的断裂主要有丽水一余姚深断裂和昌化一普陀大断裂。从构造活动性和地震活动性分析，该区的区域稳定性属于稳定。根据《中国地震动参数区划图》（ GB 18306-2015），其地震动峰值加速度为0.05g，基本烈度为Ⅵ度。在海涂中地层岩性属海相或冲海相沉积，由黄灰或灰色淤泥质粉质黏土、砂质粉土、淤泥质黏土、黏土等组成，其表层被第四系松散堆积物所覆盖。

该工程地质条件比较典型，其地基土层可分为3个地质层、9个亚层，如图1所示，自上而下各土层分述如下：I层淤泥质粉质黏土，灰色，饱和，流塑状，全区分布，层厚0.1- 1.5 m;Ⅱ。层砂质粉土，黄灰色，饱和，稍密一中密状，含云母碎片及少量有机质，局部为黏质粉土，全区分布，层厚1.0-4.2 m;Ⅱ，层砂质粉土，黄灰色，饱和，中密状为主，含云母碎片，全区分布，层厚2.9 - 11.5 m;Ⅱ，层砂质粉土，灰色或灰绿色，饱和，稍密一中密状，含云母碎片，土质不均匀，局部为黏质粉土，全区均有分布，层厚3.2 - 7.6 m;Ⅱ，层淤泥质粉质黏土夹粉砂，灰色，饱和，软塑状，土质均匀，工程区均有分布，层厚0.5 -7.5 m;Ⅲ.层淤泥质粉质黏土，灰色，饱和，流塑状，厚层状，土质不均，局部夹有薄层状粉土，全区分布，层厚1.0 - 12.7 m;Ⅲ：层淤泥质黏土，灰色，饱和，流塑状，厚层状，全区分布，土质不均，层厚1.0-13.0 m;Ⅲ，层淤泥质粉质黏土，灰色，饱和，流塑状，全区分布，土质不均，层厚1.4 - 12.3 m;Ⅲ。层淤泥质黏土，灰色，饱和，流塑状，厚层状，全区分布，层厚1.6 - 11.9 m。

该工程水闸地基加固方式为开挖至符合设计要求的持力层再压实回填至设计标高，上下游翼墙为钢筋混凝土扶臂式挡墙，翼墙地基采用中径0.16 m的松木桩加固，桩间距1.0 m，桩长4.0 m，梅花形布置;海堤地基采用双向土工格栅、编织布及石渣垫层加固，连接段地基加固方式与海堤地基相同。工程建成5a后，连接段与水闸的沉降差达387.5 mm.连接段出现两条裂缝，总长18.0 m，裂缝最大深度550 mm，平均深度320mm，裂缝最大宽度15 mm.平均宽度12 mm，下游右岸翼墙与水闸连接处有渗水。初步分析是堤闸连接段不均匀沉降导致水闸侧向防渗系统破坏所致，说明堤闸连接段地基加固处理效果不理想。为避免出现类似情况，笔者重点研究堤闸连接段地基加固方式对其不均匀沉降的影响。为便于对比，堤闸连接段地基分别采用与海堤地基相同加固方式（工况1）、与水闸地基相同加固方式（工况2）、从水闸地基加固方式渐变为海堤地基加固方式（工况3：开挖后再压实回填至海涂面，即开挖堤闸连接段地基时，与水闸连接部位的开挖深度同水闸地基开挖深度一样，与海堤连接部位可不开挖，中间部分开挖深度沿连接段长度方向按比例逐渐减小）等3种方式。

3 计算分析模型

3.1 建立模型

将浙东粉砂质地基上典型的海堤、水闸及其连接段作为研究对象，根据实际工程地质勘察资料，确定地基的地层及其厚度，进行相应的网格划分，输入土体参数及其他相关土力学参数，包括黏聚力、内摩擦角、渗透系数、密度等。针对海堤、水闸及其连接段的结构特点以及连接段3种不同的地基加固方式，利用FLAC3D软件，建立与工程实体尺寸完全相同的海堤、水闸及其连接段的数值模拟计算分析模型。在地基受力面逐级施加荷载，然后向模型施加边界条件。计算和分析堤闸连接段地基采用3种不同方式加固后，海堤、水闸及其连接段的工后沉降值及其沉降差、不均匀沉降与建成时间的关系。

根据典型工程堤闸处海堤横断面图（如图2所示）、水闸设计图（如图3、图4所示）和工程地质资料，部分简化处理后建立模型，其几何尺寸为：宽68.0 m（X方向，海堤横断面方向），长38.0 m（Y，方向，海堤纵断面方向），高46.3 - 55.0 m（Z方向，沿海堤高度方向），水闸处海堤顶高程为6.63 m，计算地基厚度为40.0 m，共9层，涵盖了海堤以下可能的压缩层。海堤长5.0 m，连接段长15.0 m，水闸宽18.0 m（取一半）。

在施工过程模拟和完工后模拟时.3种工况均设置了4个相同的沉降监测点，其坐标分别为：海堤沉降监测点（ 24. 50，4.00，6.30），连接段沉降监测点1（ 24.50，7.00，6.30），连接段沉降監测点2（24. 50，18.00，6.30），水闸沉降监测点（24.50，21.00，6.30），监测点位置如图5所示。

3.2 计算参数

模型计算所需的地基土层参数见表1，所用材料的物理参数见表2。

3.3 模拟原理和步骤

在施工期及完工后，海堤和水闸的地基都会发生固结沉降。地基土体固结是一个长期的流体和固体相互作用的过程，应该考虑两种力学效应，一是孔隙水压力的改变导致有效应力的改变，从而影响地基土体的力学性能，如有效应力的减小可能导致土体出现塑性屈服;二是土体中流体的变化会对土体体积变化产生反作用，表现为流体孔压的变化，即后期沉降需要考虑流固耦合效应，基于Biot固结理论进行流固耦合过程模拟[16]。

运用摩尔一库仑（ Mohr- Coulomb）本构模型，先考虑地基部分，位于地上部分的海堤、连接段和水闸赋予空模型。采用分阶段弹塑性求解法求解天然初始应力分布场，此处不考虑构造应力及其他影响，只考虑其初始地应力场主要是由土体自重作用产生的，然后将节点的位移和节点的速度清零[16]。随后，分步激活地基以上单元，以实现分级加载，使其接近海堤和水闸的实际施工过程，此时海堤、连接段和水闸同时堆载。堤身堆载速率根据施工时原位观测成果及设计时制定的施工加荷速率计划确定，以保证堤身地基及边坡稳定，见表3。

3.4 土工格栅模拟说明

由于土工格栅具有强度高、延伸率低、蠕变量小、表面摩擦性好、加筋效果好、施工方便、排水效果明显等优点，因此粉砂质海堤地基（包括连接段地基）目前常采用铺土工格栅的方法处理，发挥其加筋、反滤、隔离、协调沉降差等作用。FLAC3D程序中，每个土工格栅结构单元的力学性能可以分成格栅材料的结构响应和格栅构件与网格的交互作用方式。默认情况下，土工格栅构件采用CST壳有限单元，能抵抗薄膜荷载而不能抵抗弯曲荷载[21]。土工格栅与FLAC3D网格发生直接的剪切摩擦作用，格栅法向方向的运动从属于FLAC3D网格[22]。模拟过程中，土工格栅结构如图6所示。

3.5 验证模型计算结果

表4汇总了连接段与海堤沉降差和连接段与水闸沉降差的计算值和实测值，将两者对比后可知，利用本计算模型预测的沉降差与实测沉降差接近，偏差率低于10%，说明利用所建计算模型预测的沉降值（差）是合理的，尤其是对比分析不同地基处理方式的效果时，其结论是可信的。

4 计算结果分析

4.1 固结沉降分析

表5是考虑流固耦合后，计算所得10 a内海堤、水闸及其连接段的工后沉降值。可以看出：工况1海堤工后最终沉降值为45.00 cm，连接段工后最终沉降值为43.00 cm.水闸工后最终沉降值为1.50 cm;工况2海堤工后最终沉降值为44.50 cm.连接段工后最终沉降值为8.50 cm.水闸工后最终沉降值为1.55 cm;工况3海堤工后最终沉降值为44.80 cm.连接段监测点1工后最终沉降值为35.90 cm.连接段监测点2工后最终沉降值为10.56 cm，水闸工后最终沉降值为1.52cm。3种工况下海堤、水闸及其连接段沉降趋势大体一致，建成后1-4 a内沉降值较大，4a后沉降逐渐趋于稳定。海堤沉降值较大，水闸沉降值较小且比较稳定，连接段沉降值大小介于海堤沉降值和水闸沉降值之间。

4.2 不均匀沉降差分析

表6统计了3种工况下，不同时间段连接段与海堤的沉降差、连接段与水闸的沉降差。可以看出：工况1连接段与海堤的最终沉降差为2.00 cm，沉降差很小，这是因为连接段和海堤单位面积上的竖向荷载一致，且地基处理方式一样;而连接段与水闸的最终沉降差为41.50 cm，沉降差较大，这是因为水闸地基的处理方式是开挖至设计要求的持力层后再分层压实回填，地基土体后期固结沉降对其影响相对较小，而海堤及连接段地基仅用土工格栅、编织布及石渣垫层处理，地基土体后期固结沉降对其影响相对较大;工况2连接段与水闸的最终沉降差為6.95 cm，沉降差较小，这是因为两者地基处理方式一样，尽管连接段和海堤单位面积上的竖向荷载一致，但地基处理方式不同导致两者产生了36.00 cm的沉降差，沉降差较大;工况3连接段与水闸的最终沉降差为9.04 cm.连接段与海堤的最终沉降差为8.90 cm.相比于前两种工况，第3种工况可同时减小连接段与水闸的沉降差及连接段与海堤的沉降差，这是因为连接段与水闸衔接处采用与水闸地基相同的处理方式，连接段与海堤衔接处采用与海堤地基相同的处理方式，连接段中间部分地基沿连接段长度方向从水闸地基处理方式渐变为海堤地基处理方式。

连接段与海堤的地基处理方式相同时（工况1），连接段与海堤的沉降差较小且比较平稳，为1. 25 -2.00 cm，连接段与水闸的沉降差较大，为3.50 - 41.50cm，建成后4a内增长幅度较大，建成4a后沉降差逐渐趋于稳定;连接段与水闸的地基处理方式相同时（工况2），连接段与水闸的沉降差较小且比较平稳，为0.39 - 6.95 cm.连接段与海堤的沉降差较大，为1.51-36.00 cm.在建成后4a内增长幅度较大，建成4a后逐渐趋于稳定：连接段地基采用从水闸地基处理方式渐变为海堤地基处理方式时（工况3），连接段与水闸的沉降差为0.77 - 9.04 cm，大于第二种工况，但小于第一种工况，连接段与海堤的沉降差为1.38 - 8.90 cm.大于第一种工况，但小于第二种工况，沉降差都介于前两种工况之间。

5 结语

粉砂质地基上水闸地基开挖至符合设计要求的持力层再压实回填至设计标高，海堤地基采用土工格栅、编织布及石渣垫层处理。连接段地基采用与海堤地基相同的处理方式时（工况1），连接段与水闸的最终沉降差为41.50 cm，这种状况会危及到水闸和海堤自身的安全，影响其减灾效益的充分发挥，连接段与海堤的最终沉降差为2.00 cm.沉降差值很小;连接段地基采用与水闸地基相同的处理方式时（工况2），连接段与海堤的最终沉降差为36.00 cm，也会严重影响到海堤和水闸的自身安全及正常运行，连接段与水闸的最终沉降差为6.95 cm，沉降差值较小：连接段地基采用从水闸地基处理方式渐变为海堤地基处理方式时（工况3），连接段与水闸的最终沉降差为9.04 cm，连接段与海堤的最终沉降差为8.90 cm，相比于前两种工况，第3种工况可同时减小连接段与水闸的沉降差和连接段与海堤的沉降差。可见，连接段粉砂质地基处理方式应优先选用从水闸地基处理方式渐变为海堤地基处理方式（工况3），可达到同时减小连接段与水闸沉降差和连接段与海堤沉降差的效果，实现地基承载力和刚度的渐进变化，减少海堤与水闸之间的不均匀沉降，较好地解决海堤一连接段一水闸之间的变形协调问题。

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【责任编辑 张帅】

收稿日期：2019- 04-09

基金项目：浙江省重点水利科技项目（ RB1505）;浙江省水利专项资金项目（317013-2011-0102）

作者简介：刘建飞（1967-），男，陕西米脂人，副教授，高级工程师，主要从事水利水电建筑工程专业教学与研究工作

通信作者：任红侠（1968-），女，陕西兴平人，高级工程师，主要从事水利工程专业教学与研究工作