莫春華

（珠海市水利勘測設(shè)計院 廣東珠海 519000）

1 引言

珠海市位于廣東省珠江口的西南部，是珠江三角洲南端的一個重要城市。珠海境內(nèi)河網(wǎng)縱橫交錯，蜿蜒向海，主要河流有磨刀門、金星門、坭灣門、雞啼門、虎跳門、前山水道、灣仔澳門河段、南水瀝等。珠江由西江、北江、東江和流溪河組成，經(jīng)八大口門入海。其中磨刀門、泥灣門、雞啼門和黃茅海水道經(jīng)金灣區(qū)入海。珠海境內(nèi)臨海和臨河區(qū)域的地層分布情況多為（按自上而下的順序）：人工填土層→海陸交互相沉積層（淤泥層和淤泥質(zhì)土層）→下伏的亞黏土層、粗砂層、殘積土層→基巖風(fēng)化層。人工填土層的厚度較薄，海陸交互相沉積層的厚度為20～65m。淤泥和淤泥質(zhì)土這些軟弱地層對堤防工程設(shè)計的邊坡抗滑穩(wěn)定計算影響較大，邊坡抗滑穩(wěn)定對軟弱地層的地質(zhì)參數(shù)更為敏感。下面將主要對含有軟弱地層的珠海地區(qū)堤防工程邊坡抗滑穩(wěn)定計算進(jìn)行分析與研究。

2 邊坡抗滑穩(wěn)定計算方法

根據(jù)GB50286—98《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，邊坡抗滑穩(wěn)定計算方法由于對土體抗剪強(qiáng)度計算方法的不同，分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。穩(wěn)定滲流期（設(shè)計洪水位工況、多年平均水位遇地震工況）采用有效應(yīng)力法計算，設(shè)計洪水位驟降期和施工期采用總應(yīng)力法計算。穩(wěn)定滲流期、水位驟降期和施工期的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計算公式分別見（1）式、（2）式和（3）式。

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W為條塊重力，W=W1+W2+ρwZb，kN；W1為堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2為堤坡外水位以下的條塊重力，kN；Z為堤坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離，m；u為穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa；ui為水位降落前堤身的孔隙壓力，kPa；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)半徑之間的夾角；γw為水的重度，kN/m3；b為條塊的寬度，m；C'、Ccu、Cu為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，kPa；φ'、φcu、φu為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

由（1）式、（2）式、（3）式可知，在堤坡外水位邊界條件已定的情況下，各種工況下的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)主要取決于土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值。

3 邊坡抗滑穩(wěn)定計算分析

珠海地區(qū)軟弱地層上的堤防工程邊坡抗滑穩(wěn)定計算，一直是個值得分析與探討的論題。因為看似低矮而穩(wěn)定的堤坡設(shè)計斷面，在穩(wěn)定滲流期和水位驟降期工況，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，而在施工期工況，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)居然遠(yuǎn)小于規(guī)范的允許值。現(xiàn)狀一直維持穩(wěn)定狀態(tài)的舊堤坡斷面，在驗算其施工期工況時，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)居然也時常小于1.0。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)使得邊坡抗滑穩(wěn)定計算變得難以理解，尤其是在缺少土層參數(shù)的情況下，更難以定性分析和定量計算。這就需要工程設(shè)計人員將初始計算結(jié)果與實際狀況結(jié)合進(jìn)行分析，找到計算的實際依據(jù)，使得初始計算結(jié)果與實際狀況相符。在此基礎(chǔ)上再完成邊坡抗滑穩(wěn)定計算分析和方案設(shè)計。

在珠海地區(qū)幾個含有軟弱地層的堤防工程邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算時，選取了堤坡的代表斷面或最危險斷面來計算。結(jié)果表明，由于較厚軟弱地層的存在，現(xiàn)狀堤坡的施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)集中在0.60～0.95；加固設(shè)計后堤坡的施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)集中在0.30～0.90，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)不滿足規(guī)范要求。實際上現(xiàn)狀堤坡在施工完建時是穩(wěn)定的，其它邊界條件未發(fā)生改變，時隔多年目前仍保持穩(wěn)定。而邊坡抗滑穩(wěn)定對軟弱地層的地質(zhì)參數(shù)更為敏感，說明施工期總應(yīng)力法采用的軟弱地層的不固結(jié)不排水剪指標(biāo)值Cu和φu并非是接近實際狀態(tài)的指標(biāo)值。所以可以取現(xiàn)狀堤坡斷面的施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為臨界值，即Ks=1.0，反算軟弱地層多年后的或更接近實際的不固結(jié)不排水剪指標(biāo)值Cu′和φu′。然后再用Cu′和φu′計算加固設(shè)計后堤坡的施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。一般將這種方法稱為施工期反算參數(shù)法。此方法是有一定的實際依據(jù)性的，使得反演的初始計算結(jié)果與實際狀況相符。

當(dāng)然，即使應(yīng)用施工期反算參數(shù)法也不一定能完全保證堤坡初始加固設(shè)計方案的施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)能滿足規(guī)范要求，有時只是小幅度地提高了施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。這時需要調(diào)整堤坡的初始加固設(shè)計方案，比如堤坡變緩、堤身變矮、堤坡增加鋼筋混凝土護(hù)面、堤前和堤后增加反壓平臺等，直到加固設(shè)計后堤坡的施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)能滿足規(guī)范要求為止才能最終確定加固設(shè)計方案。

如果軟弱地層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值很低，或者是由于其它客觀條件的限制，調(diào)整堤坡的加固設(shè)計方案后其施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)仍不能滿足規(guī)范要求，那么就需要在施工期采取地基處理措施以及進(jìn)行分期施工。一般是選擇打入塑料排水板對地基進(jìn)行排水固結(jié)。這時軟土層地基的平均固結(jié)度可按SL435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》附錄N 的計算公式進(jìn)行計算，這里不再一一列出。一般經(jīng)過幾個月的排水固結(jié)后，軟土層地基的平均固結(jié)度可達(dá)到50%～80%，則此時軟弱地層在施工期的抗剪強(qiáng)度增長為Ct和φt，按下式進(jìn)行計算。

式中：Ct為時間t時的凝聚力，kPa；φt為時間t時的內(nèi)摩擦角；Cu為三軸不固結(jié)不排水剪指標(biāo)凝聚力，kPa；φu為三軸不固結(jié)不排水剪指標(biāo)內(nèi)摩擦角；Ccu為三軸固結(jié)不排水剪指標(biāo)凝聚力，kPa；φcu為三軸固結(jié)不排水剪指標(biāo)內(nèi)摩擦角；U為軟土層地基的平均固結(jié)度。

一般來說，調(diào)整堤坡的加固設(shè)計方案后，再通過塑料排水板對地基進(jìn)行排水固結(jié)，再輔以分期施工。將Ct和φt代入施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式中，基本能夠保證加固設(shè)計后堤坡的施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。施工完建期堤坡能保持穩(wěn)定狀態(tài)，也即在施工期采取工程措施使得工程得以順利建設(shè)。

4 工程實例

這里以珠海航空產(chǎn)業(yè)園白龍河尾圍填造地工程為例（以下簡稱白龍河尾圍填造地工程）來說明以上的邊坡抗滑穩(wěn)定計算分析的可行性和實際應(yīng)用性。

依據(jù)圍內(nèi)的不同陸域回填材料，白龍河尾圍填造地工程可分為淤泥回填和粗砂回填兩種方案。根據(jù)堤防有無舊堤反壓，白龍河尾圍填造地工程又可分為舊堤反壓和新堤兩種方案。按照圍內(nèi)的陸域淤泥（砂）填高，白龍河尾圍填造地工程可分兩期施工，一期施工陸域淤泥（砂）填高到1.60m 的高度，二期施工即完建時陸域淤泥（砂）填高到3.50m 的高度。本次選擇淤泥軟弱地層最厚處 65m 的最危險設(shè)計斷面（樁號K2+000）進(jìn)行穩(wěn)定分析。

首先依據(jù)初始橫斷面設(shè)計圖進(jìn)行邊坡抗滑穩(wěn)定計算，其施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.23～0.40?，F(xiàn)狀舊堤的施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也只有0.71。因現(xiàn)狀舊堤在施工完建時是穩(wěn)定的，其它邊界條件未發(fā)生改變，目前舊堤仍保持穩(wěn)定，所以取舊堤斷面的施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為臨界值1.0，反算淤泥層的不固結(jié)不排水剪指標(biāo)值和，詳見表1。

表1 淤泥層的不固結(jié)不排水剪指標(biāo)

初始設(shè)計方案還采取了地基處理措施，即在堤防范圍每隔1.0m 間距打入25m 長塑料排水板對淤泥層進(jìn)行排水固結(jié)。利用平均固結(jié)度的公式計算出淤泥層經(jīng)6 個月排水后的總平均固結(jié)度為76%，此時施工期淤泥層強(qiáng)度得到增長，不固結(jié)不排水剪指標(biāo)值Cu′和φu′分別增長為Ct和φt，即Cu′由4.0kPa 增長為5.0kPa，φu′由7.6°增長為10.0°。將Ct和φt代入施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式中，初始橫斷面設(shè)計圖的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)仍然只有0.90～1.04，小于規(guī)范允許值1.15。

至此，初始設(shè)計方案必須作一定的調(diào)整。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整、計算，設(shè)計方案調(diào)整為：在初始設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，拋石反壓平臺從8.0m 長調(diào)整為25.0m 長，且拋石反壓平臺底部需加深1m 拋石。圍內(nèi)側(cè)膜袋砂底部的最邊緣需順延20.0m 長距離打入塑料排水板。在一期施工完畢后，利用排水板加強(qiáng)排水6 個月后，再繼續(xù)施工到完建狀態(tài)。設(shè)計方案調(diào)整后，其施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。這樣才能最終確定白龍河尾圍填造地工程的設(shè)計方案。安全系數(shù)計算結(jié)果詳見表2。

表2 施工期邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

施工期反算參數(shù)法在幾個含有軟弱地層的堤防工程中都得到了應(yīng)用，并且在此基礎(chǔ)上確定的設(shè)計方案在施工期中已安全、穩(wěn)定施工。目前在這幾個工程的整個施工期過程尚未出現(xiàn)邊坡滑動等不穩(wěn)定問題，說明施工期反算參數(shù)法及反算后的邊坡抗滑穩(wěn)定計算和確定的設(shè)計方案是有可行性和應(yīng)用性的。

5 結(jié)論與展望

計算中引入了施工期反算參數(shù)法對珠海地區(qū)軟弱地層上的堤防工程邊坡抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了分析與研究。反演所得的初始計算結(jié)果與實際狀況相符。在此基礎(chǔ)上完成了邊坡抗滑穩(wěn)定計算分析和方案設(shè)計，并且以具體工程實例說明了這種分析過程的可行性和實用性。

目前，珠海地區(qū)軟弱地層上的堤防工程邊坡抗滑穩(wěn)定計算也在考慮水位驟降期反算參數(shù)法的實際應(yīng)用，但是不管是施工期反算參數(shù)法還是水位驟降期反算參數(shù)法的應(yīng)用都需要更多工程實例的不斷驗證才能得以普遍推廣應(yīng)用。

1 GB50286—98 堤防工程設(shè)計規(guī)范.北京：中國計劃出版社，1998.

2 SL435—2008 海堤工程設(shè)計規(guī)范.北京：中國水利水電出版社，2008.

3 DB44/T182—2004 廣東省海堤工程設(shè)計導(dǎo)則（試行）.天津：新蕾出版社，2004.