海堤结构型式及抗滑稳定性计算分析

海堤结构型式及抗滑稳定性计算分析毛昶熙 段祥宝 毛佩郁张士君 周 骥(南京水利科学研究院)(浙江省水利厅)摘 要 本文在东南沿海的海堤结构型式及有关潮位、波浪和海淤土强度的资料基础上，进行了非稳定渗流有限元法计算，以及在潮位和波浪作用下的抗滑整体稳定性计算分析。比较了单圆弧滑动和复合圆弧滑动以及加筋抗滑的有限元法计算结果，认为海淤软基抗滑计算以复合圆弧更为合理，斜坡式比直立式海堤的抗滑稳定性稍好，结合三防(防浪、防冲、防渗)考虑，当以带平台的复式断面海堤结构型式为好，但仍应因地制宜。关键词 海堤，结构型式，稳定分析，潮位变化，波浪冲击，渗流，有限元法。1 海堤结构型式 海堤结构型式有斜坡式、直立式和带平台复式断面3种，文献1从消浪防冲观点推荐了带平台的斜坡复式断面加反弧防浪墙的结构型式，但影响结构型式的因素很多，因地制宜至为重要。例如在海滩淤泥土上堆筑堤防，以斜坡土堤防渗、外加块石护面防冲为宜；海淤土上的围垦海堤以缓坡加平台和两边压载排渗为宜；地基较好、石料方便地区，则可建造接近直立墙式海堤或平台消浪混合式海堤。浙江省海堤现状可以概括为图1所示的3种典型断面结构形式4，并认为都是建造在海淤土上的。本文也将以此型式为计算分析研究对象，3种结构型式简述如下： (1)斜坡式海堤采用的概化断面见图1(a)，护坡结构为干砌块石，护面厚为40cm，护面下为厚30cm的碎石过渡层，防浪墙顶高程10m，顶宽80cm，堤顶采用混凝土护面厚10cm，石渣垫层30cm厚。(2)直立式海堤概化断面见图1(b)，干砌石防护墙。土方与石方间有60cm厚的过渡层。其余基本类同斜坡式堤。 (3)复合海堤式概化断面见图1(c)，平台设在设计高潮位下40cm处，其顶部采用浆砌块体补强，图1 海堤结构型式间隔留有干砌体保留缝隙供波浪水、气进出。平台下为12.5的斜坡，平台上部则采用10.4的干砌石斜坡，石方与土方间用50cm厚石渣过渡。2 研究内容和计算方法水工建筑物设计建造是否安全经济，必须预先知道作用在建筑物上的水力条件，包括潮涨潮落、波浪冲击和渗流破坏力以及排水固结过程等水的作用力。可是由于缺乏依据很少能完善地考虑这些力进行设计。本文只从渗流场计算分析研究堤身及堤基的稳定性，波浪压力及爬高则按照相近似海堤型式的水工模型试验资料加以转换引用，本文研究内容及其计算条件和方法如下。2.1 潮涨落过程中的海堤渗流分析 选用50年一遇高潮位6.9m，潮位周期为12.4h，最大潮差为6m，潮位曲线如图2所示。计算时选取最高潮位时稳定渗流场作为初始条件，以一个潮位周期后的流场作为分析资料。2.2 波浪作用下海堤渗流分析 选取最高潮位时稳定渗流场作为计算初值，然后考虑波浪向坡上爬高，再跌入波谷时流场分布。波要素也采用50年一遇重现期，波高H=2.30m，周期T=6s.3s形成波峰，其波压力根据文献2中试验资料，绘出沿墙面波压力分布，以水头值赋给单元结点上，再3s形成波谷，波谷以上坡面按自由渗出段。其中直立式海堤采用丁山海堤试验资料，带平台的复式断面采用苍山门外塘试验资料，斜坡式参照弧岛水库护坡试验资料。各式堤坡上的波压力分布如图3所示。图2 潮位曲线(a)(b)(c)图3 波压力分布2.3 滑坡稳定性计算 上游坡计算潮落时或波谷时的边坡稳定性，下游坡则计算高潮位时稳定渗流场或波峰时非稳定流作用下的背水坡的稳定性，也计算了无渗流作用时上下游边坡的稳定性。各种土的土力学指标和参数系数、给水度见表1.表1 各土层土力学指标土 层渗透系数k容重1浮容重 1凝聚力C摩擦角给水度/(cm/s)/(t/m3)/(t/m3)/(kg/cm3)/淤泥质粘土10-61.81.00.1160.002淤泥10-51.60.90.180.002块石1002.01.10400.3滤层10-22.01.10400.15计算采用有限单元法程序UNSST(Unsteady Seepage and Stability)，按照非稳定渗流过程结合滑坡计算寻找最危险滑弧的安全系数。由于海淤土抗滑性很差，经常沿堤底淤泥层滑坡，如图4所示。因此除单一圆弧滑动外，还计算比较了复合圆弧滑动。关于单圆弧滑动有限单元法计算公式，其安全系数为7（1）式中R滑弧半径；三角形单元面积；单元形心的半径与铅垂线所成的角度；单元形心向下与滑换点的半径与铅垂线所成的角度；r单元形心到滑动圆心的半径距；水的容重；1土的容重，饱和区取浮容重，渗流自由面以上非饱和区取自然容重；Jx、Jz渗流区土体单元沿x、z方向的渗透坡降分量；l各土层中滑弧的长度；c、土体有效强度指标。上式分子项为滑弧上的抗滑力矩，分母为滑动土体的滑动力矩。上式直接应用了渗流场计算结果，把常规条分法计算侧边的表面水压力转换为单元体积力，很方便地把渗流场计算程序与滑坡稳定性分析耦合为一体，考虑地震力时，只需将其作为体积力加到单元渗透力的体积力上即可。复合圆弧滑动是单圆弧法的推广，即在堤坝本身发生一个小圆弧滑动衔接淤泥地基一个相切的大圆弧滑动，如图4所示，计算方法为先算出小圆弧内土体作用于大圆弧土体的侧向压力P，再算大圆弧内土体抗滑稳定性，其安全系数计算公式为3（2）式中M1、M2分别为两个圆弧滑动面上各绕其圆心的抗滑力矩；M1、M2分别为两个圆弧包围土体绕其圆心的滑动力矩；a1、a2为分界线BF上侧压力P分别绕其圆心的力臂，并设P垂直分界线作用在1/3高度处。上式分子项即两个圆弧滑动面上的抗滑力矩之和，分母为两弧包围土体的滑动力矩之和，均按上面单圆弧滑动的有限单元法累加计算，M即单圆弧计算公式中的分子项，M为其分母项.因为抗滑力发生在圆弧滑动面上，所以应注意到小圆弧内BEF部分土体单元体积力的铅垂分量作用到大圆弧时应采取淤泥地基的土力学指标c、值。程序安排寻找最危险滑弧位置时，可先设定淤泥地基表层内平直微凹的大圆弧，再向堤体内延伸小圆弧。至于在淤泥层大圆弧末端再衔接小圆弧滑出地面的复合圆弧滑动，同理可以推得公式3 ，即在式(2)分子中增加一项a2/a3M3在分母中增加一项a2/a3M.改造淤泥地基的措施，可以采用平铺加筋土工网增加其抗滑阻力，如图5所示，计算方法可在有限单元法计算安全系数公式中的分子项再增加一项抗滑力矩M=RTGcos即可，这里的TG为加筋网的设计抗拉强度(2t/m左右)，网与滑换点B的半径R偏离铅垂线的夹角为。图4 复合圆弧滑动计算示意图5 海淤地基加筋网抗滑计算示意3 计算结果3.1 斜坡式海堤3.1.1 潮涨落过程中的渗流场及稳定性计算 计算结果见图6。初始稳定高潮位6.9m降至最低潮位时，堤身淤质粘土内自由面变化极缓慢，这是由于潮位降落时间快，土质透水性小。在堤护坡下过渡层内有部分水体没有散尽，形成一定高度的自由面。堤身土料上游出渗位置一般均在5.86.3m高程，堤背水坡侧出渗点较低，在地面以上0.05m.图6 斜坡式海堤在高潮及潮落时渗流场分布根据潮位下降过程各级水位时渗流场追踪寻找其最危险滑弧，得知潮位从6.9m降至4.0m时，因为堤身内水体来不及消散，形成了朝向上游的渗流，对上游坡的稳定性最为不利，下游坡则以最高潮位时不利。对这种情况的边坡稳定性计算结果见表2。下游坡则以最高潮位时不利。对这种情况的边坡稳定性计算结果见表2.下游坡安全系数为1.025，上游坡在潮位降至3.5m时安全系数最小为1.05.表2 斜坡式海堤稳定性计算结果工况滑弧位置安全系数备 注(X，Y)半 径有渗流(10，12)10.831.025堤基=8高潮位6.9m下游坡无渗流(10，12)10.831.13无渗流(-6，13)11.981.196堤基=8无渗流(-12，15)10.471.441堤基=16潮位降至最低上游坡降至3.5m最小(-7，12)10.811.05堤基=8降至4m最小(-9，12)10.2241.346堤基=16波浪作用下上游坡下降至波谷(-7，11)9.51.173堤基=8上升至波峰(-8，12)9.51.25堤基=8波峰(12，14)12.821.320堤基=16波浪作用下下游坡(10，12)10.831.022堤基=8波谷(12，14)12.821.329堤基=16(10，12)10.831.027堤基=83.1.2 波浪作用下的渗流场及稳定性计算 如图7所示可以看出，由于波周期仅6s，波峰与波谷对海堤内部渗流分布影响较大，尤其在护坡和过渡层内，堤身淤质粘土内的渗流分布也有变化，但其渗流自由面位置变化不大。波谷时护坡中水体尚未散尽，浮托力较大。图7 斜坡式海堤在波浪作用下渗流场分布(第5个波)波浪作用下上、下游堤坡稳定性计算结果，见表2.上游坡在波谷时最小安全系数为1.17.下游坡在波峰时最小安全系数为1.02.3.1.3 复合圆弧滑动与加筋抗滑计算 对斜坡式海堤的抗滑稳定性还进行了复合圆弧与单圆弧计算的比较。在潮落时上游坡危险滑动单圆弧，圆心坐标（-7，12），半径R=10.81m，算得安全系数=1.05；而用复合圆弧，小圆弧中心坐标(-1.3，10.8)，半径R1=7.0m，大圆弧半径R2=25.5m,计算=0.962，稍小。若淤泥地基强度更差，两种方法计算相差更大。对于堤底淤泥层上加筋土工网，设加筋抗拉强度为2t/m，上述滑弧下可以提高安全系数到1.150.3.2 直立式海堤3.2.1 潮涨落过程中的渗流场及稳定性计算 干砌石防护墙内水位随着潮位下降其降速亦较快，而过渡层内则有部分迟后，土方内更慢，潮位降至滩地标高4m时出渗位置较高(为6.0m)，而浸润线位置往后变幅甚微。渗流场分布与边坡的稳定性计算结果见图8，可知直立式防护墙后的渗流等势线密集，地基中亦有20%水头滞留。高潮位下游坡出渗点高程4.084，较堤后地面高0.084m.此时淤泥软土堤基上的下游坡抗滑安全系数为0.943，无渗流作用时为1.136；若提高软土地基的为16，则在高潮位入渗和无渗流时抗滑安全系数分别提高到1.217和1.470.直立式防护墙的上游坡稳定性，当潮落时危险，如图8所示，从高潮位6.9m降至4m时，上游坡抗滑安全系数最小为0.865，无渗流作用时，为1.076；提高软土地基的强度为16抗滑安全系数提高为1.103和1.249.图8 直立式海堤在高潮位及潮落时渗流场分布3.2.2 波浪作用下的渗流场及稳定性计算 计算结果见图9.从图中可以看出波峰与波谷时堤身和堤基内渗流场分布迥异，但土方内自由面变化幅度较小。波峰时，波浪水体爬高至堤顶，很快由渗透性极强的干砌石渗入，3s后波浪跌入波谷，渗入水体又在重力作用下向堤外及向下渗透，同样堤内水体向后的渗压也相应减小10%.图9 直立式海堤在波浪作用下渗流场分布(第5个坡)波浪作用下软土堤基上的上下游坡稳定性计算表明，上游坡在波浪跌入波谷时抗滑安全系数最小为0.972，而下游坡在波浪爬至最高时稳定性最小为0.886，跌入波谷时为0.947.3.3 带平台复式断面海堤3.3.1 潮涨落过程中的渗流场及稳定性计算 计算结果见图10.堤基在潮位降至滩地标高时尚有30%水头未消散，过渡层后土体内渗流密集，出渗高程6.17m，干砌石防护墙内亦有部分水体未能消散。潮位降至滩地高程4m时上游边坡稳定性最小抗滑安全系数为=0.995，下游坡稳定性最小为=0.952.用复合圆弧滑动计算，上游坡=0.983，下游坡=0.940.若提高到=16，上游坡稳定性提高到1.281.图10 复式海堤在高潮位及潮落时渗流场分布3.3.2 波浪作用下的渗流场及稳定性计算 计算结果见图11.至第7个波后堤内流场分布基本一致。波浪上爬至9.2m高程时，计算上游坡的稳定性，其抗滑安全系数为1.187，而下跌至波谷时，稳定性降为0.995，下游坡则为0.888和0.944.图11 复式海堤在波浪作用下渗流场分布(第7个波)4 海堤结构型式的计算结果比较通过上述3种结构型式的海堤渗流计算，在同样堤高、海淤土地基和设计相当50年一遇的高潮涨落和风浪袭击的条件下，其计算结果除渗流场分布可供堤体各部件核算其稳定性外，还可概括比较如下：(1)由于堤身土体透水性小，而潮涨落和波浪冲击循环周期都很短，故堤体内已形成的初始渗流自由面变化很微，与江河大堤显著不同。(2)3种堤型结构设计基本上能满足常规设计抗滑安全的要求。但从渗流场看，虽然渗流自由面相同，其渗流方向随潮位波动变化却大不相同，特别是上游坡，必须考虑瞬时的渗流方向及其渗透力作用，此时的安全系数就略有减小，直立式堤和复式堤已减为略小于1，最小是0.865和0.995.(3)因为直立式和复式堤中的渗流自由面较斜坡式堤中的略高，故下游坡的抗滑稳定性也较斜坡式堤差，安全系数最小是0.886和0.888，可考虑提高一些海淤土的抗滑力。(4)潮涨落影响堤的整体滑动稳定性，而波浪作用更主要的是局部冲击破坏性。在波浪作用下的瞬时渗流场分布图中可看出在高潮位下面附近有一局部受冲击最强，当波峰到波谷经过3s所发生的最大水压差约为爬高总水头的30%，即斜坡式堤波峰波谷诱发渗流场等势线分布最大差80%50%(图7)，直立式堤70%40%(图9)，复式堤80%50%(图11).而且随着浪击的次数有微增扩大之势。按照3种结构型式依次选用的总水头5.2，6.0，5.2m为100%计算，相当于3s内发生1.61.8m的水头压差变化，直立式墙受浪击集中，压差也稍大。此种抽吸脉动压差往返作用着，对于该局部的护砌块石将造成松动破坏。最剧烈的区域在潮位静水面下1/3波高范围内的坡面层。若以此计算脉动流速就更容易把不合格滤层的细粒料从石缝中抽吸而出。(5)波浪压力传播除直接引起护面层内较大脉动压力水头变化外，在直立墙和带平台堆石体与土体相接直角地带也存在有2030%总水头的脉动压差变化，约相当于11.5m的水头压差往返作用着。因此饱和土体与块石体接触面也应做好滤层布局，带平台复式断面堆石体底部没有设计滤层自然也必须增设平铺滤层。(6)海淤土软基上筑堤，经过多组抗滑稳定性计算比较，复合圆弧滑动面比单圆弧更为合理，更可求得较小安全系数的危险滑坡趋向。若淤泥的土力学指标更差，又不考虑地基渗流时，两种方法的计算安全系数相差也稍增大。直立式海堤比斜坡式堤的两种算法的差距又稍大。此上计算结果所依据的波浪条件取自近似结构的不同模型试验，并非完全等同的水力条件，因此仍有深入研究的必要，以上结构型式优越性的计算比较，仅供参考。5 海堤结构设计的问题讨论有关渗流稳定方面的设计问题如下：(1)3种结构型式，从消浪、消能及渗流等水力条件论，当以带平台的复式断面为好45，即在设计高潮位高程留24m宽的平台以缓冲浪击，斜坡升至顶部接反弧挡浪墙，减轻越浪的危害；但应注意若反弧不与其下斜坡面平滑衔接，就失去了反弧的作用6。同时还应保护堤顶防止越浪和暴雨的冲刷下渗。当然地基的要求和材料的限制