海床隆起对海堤的影响及处理方法

彭志豪，马里，陈家悦

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.香港振华工程有限公司，香港 999077）

0 引言

软土地基上建造防波堤、护岸等结构，目前工程界软土地基处理方案有：开挖换填法、排水固结法及复合地基法等。开挖换填法虽然效果好，但是造价高且对环境影响大；排水固结法，需要时间长，对淤泥土使用要求较高的项目处理效果有限；而复合地基法则是通过施工工艺利用部分好材料替换原有的软土，形成复合地基，这种方法具有时间短、处理效果好、造价适中。其中复合地基处理方式有砂桩置换法、碎石桩置换法、DCM 水泥桩置换法[1]等。DCM 搅拌桩利用水泥在软土中搅拌形成水泥桩+土体的混合地基，从而提高软土地基承载力和抗剪强度等指标。复合地基法由于加入了部分强度好的土体材料，而原状土没有进行开挖，所以处理后总体积变大，从而引起海床面的隆起[2]，具体的隆起高度、隆起范围与置换率和原状土性质有关。本文重点分析隆起后对海堤的影响，从而提出具体的处理方法。

在前期设计时通常容易忽略海床隆起对设计方案的影响，海床隆起会引起水深变小，特别是水深较小时可能影响护面的稳定，同时隆起物的存在也会使海床面存在一个不能处理的软弱层，从而影响海堤、护岸结构的整体稳定，因此在设计DCM 处理的护岸结构时，需要特别考虑海床面的隆起，并评估分析隆起物带来的影响，以及相应的处理方式。

1 项目隆起情况介绍

香港国际机场第三跑道填海工程（以下简称香港三跑工程）需建设13 km 海堤，根据地勘资料显示，海堤下方存在10～20 m 厚淤泥土和淤泥质土。由于香港环保要求严格，不允许大面积开挖换填，且深厚软土开挖换填造价高，如果采用排水固结法，工期、工后沉降难以满足机场沉降的要求，综合考虑项目情况，设计方案采用DCM 水泥搅拌桩的复合地基法。本文以CH+3900—CH+4300 段的海堤为对象进行分析，海堤段原泥面高程在-5.7～-6.2 mPD（PD 为香港高程基准面），平均约为-6.0 mPD。设计断面采用抛石斜坡堤结构，首先在原泥面施工2 m 厚砂垫层，砂垫层顶标高-4.0 mPD；接着在砂垫层上施工DCM 桩，最后施工抛石斜坡堤。根据原设计断面，砂垫层及DCM 施工后泥面标高应在-4.0 mPD，而实际DCM 施工完后，经测量DCM 范围内海床存在约2 m 厚度的隆起物，隆起范围1.4～2.3 m（不包括2 m 砂垫层厚度），此处原海堤设计断面（SW1）及隆起线如图1 所示，护面采用0.8～2.5 t 的块石（M50=1356 kg），垫层采用10～450 kg 块石，护面坡度1∶2，根据《深层搅拌法技术手册》[3]隆起厚度可按下式估算：

图1 CH3900—CH4300 海堤原设计断面及隆起线Fig.1 Original seawall section for CH3900—CH4300 and the heave line

式中：β 为海床隆起率，一般取0.7；h 为DCM 搅拌桩处理深度，m；V 为每立方土体中注入水泥的体积，m3/m3。

项目DCM 进入较好土层约5 m 左右，计算得到本区域理论隆起量为1.9 m，本文采用2 m 平均厚度评估海床隆起对海堤护面块石和整体稳定性的影响。

2 隆起对海堤的影响及处理方法

2.1 隆起对海堤的影响

2.1.1 护面块石重量的影响

海床隆起泥面标高抬高2 m 后，护面结构前沿水底高程相应抬高，根据CIRIA C683 Van der Meer 公式[4]，当水深大于3 倍有效波高时采用深水公式，否则采用浅水公式计算护面块石重量，根据不同情况可对应采用式（2）～式（5）计算护面块石的重量。

深水且ξm＜ξcr时，为卷破波：

深水且ξm≥ξcr时，为激破波：

浅水且ξs-1，0＜ξcr时，为卷破波：

浅水且ξs-1，0≥ξcr时，为激破波：

式中：α 为堤身边坡坡角；ξm、ξs-1，0分别为深水和浅水破波相似性参数，，其中Tm为平均周期，s；Tm-1，0为平均谱周期，s；ξcr为波浪形态判断参数，；cpl、cs为系数，分别为6.2，1.0；Hs为堤前有效波高，m；P 为结构的渗透性系数，0.1≤P≤0.6；N 为波浪个数（风暴延时），当N＞7500 时取7500；Δ 为块石的相对重度，Δ=γs/γ-1；γs为块石的重度，kN/m3；γ 为水的重度，kN/m3；Dn50为块石的名义直径，m；Sd为破坏水平，Sd=Ae/Dn502；Ae为计算水位一定范围内破坏面积。

当考虑隆起后，护面结构前高程约为-2.0 mPD，从而使得该断面不满足深水公式，而采用浅水公式计算时原设计护面块石重量不能满足要求，中值重量M50需要增加到1429 kg，考虑海床隆起变化前后的护面块石计算对比见表1。

表1 海床隆起对护面块石设计结果的影响Table 1 Influence of seabed heave on design results of armor rock

2.1.2 压脚块石重量的影响

由于水深变浅，使得压脚块石护面块石处于2 倍有效波高范围以内，护面块石的稳定受到影响，根据香港规范PWDM[5]需要采用与图1 中AC段重量相同的护面块石，否则在低水位时GE 段护面块石不能满足稳定要求，英标BS 6349-7[6]要求护脚块石顶高程要低于水面1.5～2.0 倍有效波高。项目平均低潮位为0.36 mPD，低潮位对应100 a 一遇重现期有效波高为1.44 m，当不考虑隆起时G 点水深大于2 倍有效波高，可按照压脚块石计算；但隆起后G 点水深小于2 倍有效波高，需要按照护面块石计算，块石重量验算结果见表2，结果表明考虑隆起后原压脚块石重量不能满足规范要求。

表2 平均低潮位压脚块石稳定验算结果Table 2 Calculation results for the stability of toe rock at average low tide

2.1.3 海堤整体稳定的影响

不考虑DCM 地基处理的海床隆起，边坡整体稳定计算结果见图2[7]，最小安全系数为1.467，大于香港规范要求的1.30，因此能够满足要求。但因DCM 施工所造成的海床面隆起后砂垫层的成分会发生较大变化，砂垫层中形成一层搅起的淤泥，由于DCM 施工过程中水泥浆的外冒，使得隆起物具有一定的强度，隆起物的强度直接影响海堤的整体稳定，隆起物顶面距离DCM 桩顶距离为1 m，由于隆起物的存在，海堤的整体稳定受到影响，需取样测定隆起物的强度然后判断海堤结构的整体稳定，如直接把隆起物按照处理之前的淤泥考虑，整体稳定安全系数为0.688，不满足规范要求。

图2 不考虑海床隆起整体稳定计算结果Fig.2 Calculation results of overall stability without considering seabed heave

2.2 处理方法

根据前面海床隆起对海堤的影响分析，可以得到原设计断面已经不适用于隆起后的地形，因此提出两种应对思路，第一通过开挖隆起物恢复到DCM 施工之前的地形，这种思路不需要重新设计断面，原护面块石、护脚块石均能满足要求，开挖后原设计断面不受影响；第二是在隆起物上重新设计海堤断面，相当于在抬高后的海床设计、施工护岸。由于环保要求，项目不允许水上大面积开挖，因此项目采用了第二种思路处理隆起带来的影响。在隆起后的海床上设计海堤，针对原设计护面块石偏小的影响，采用加大护面块石规格到M50=1429 kg，考虑到大块石石料紧张，最后护面采用2 m3的ACCROPODE 混凝土块体，垫层采用320～600 kg 块石，护面坡度1∶2，采用2～4 t 的块石作为压脚块石，同时DE 段外侧铺1 层大块石，以解决对护面块石、压脚块石带来的不利影响，后调整断面如图3。

图3 考虑海床隆起后的CH3900—CH4300 海堤断面Fig.3 Adjusted seawall section CH3900—CH4300 taken into the seabed heave

针对海堤整体稳定的影响，首先是补充勘察，探明隆起物的成分及力学指标，利用探明的指标重新分析新断面稳定，如果能够满足要求，则不用额外的处理，如不能满足整体稳定要求，则需要对隆起物进行挖除或者地基加固。香港三跑工程中首先进行了隆起物力学指标对整体稳定的敏感性分析，分析结果如图4，结果显示当隆起物的强度为15 kPa 时，海堤的整体稳定安全系数为1.423＞1.30，满足规范要求，因此当隆起物的抗剪强度CU不小于15 kPa，则稳定性能够满足要求。

图4 隆起物强度对海堤稳定的敏感性分析结果Fig.4 Sensitivity analysis results of heave strength to seawall stability

香港三跑工程补充勘察表明隆起物主要为硬到坚硬的黏土，并伴有胶结块，判断为冒出的水泥浆和淤泥质土形成的混合物，通过实验得到隆起物的无侧限抗压强度为UCS=0.2～0.6 MPa，不排水抗剪强度Cu=0.5UCS，考虑1.5 的安全系数，得到平均不排水抗剪强度可取130 kPa，远大于15 kPa，整体稳定满足设计要求。因此香港三跑工程最终选用了不开挖隆起物的方案，通过变更护面、压脚块石的规格，其隆起物不用进行处理[8]。

3 结语

复合地基法处理软土地基后地面会存在一定的隆起，设计时需要据理论计算预先考虑隆起的影响，特别是处理水下防波堤或者护岸基础时，由于水深变化，可能导致整个护面结构、护脚块石等不满足要求，整体稳定也可能受到影响，因此需要预判隆起的厚度，并给出一定的应对措施，避免因设计考虑不充分发生质量问题；而关于隆起物的强度，与具体的原始土层特性、DCM 桩深度、DCM 注浆效果及置换率有关，香港三跑工程隆起后不排水抗剪强度高达130 kPa，满足稳定，但是每个项目情况不同，需要通过补充勘察具体分析，本文DCM 处理地基带来的海床隆起分析结果对类似项目具有参考意义。