蔡小芳

上海地區(qū)海堤整體穩(wěn)定安全性分析

蔡小芳

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707）

運(yùn)用可靠度理論，建立海堤整體穩(wěn)定性功能函數(shù)，對上海地區(qū)海堤整體穩(wěn)定安全性進(jìn)行研究。通過選取典型海堤結(jié)構(gòu)，計(jì)算得出安全系數(shù)、可靠度指標(biāo)和失效概率，認(rèn)為上海地區(qū)海堤整體穩(wěn)定性可靠度偏低。并對海堤堤腳灘地高程的變化對穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析，指出加強(qiáng)護(hù)灘以及采取先促淤再構(gòu)筑海堤的方式對提高海堤結(jié)構(gòu)安全性具有顯著的效果。

海堤；整體穩(wěn)定；可靠度指標(biāo)；失效概率

上海地區(qū)受經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，沿長江口和杭州灣海域岸線對灘涂進(jìn)行圍海造地，為浦東國際機(jī)場、上海國際航運(yùn)中心、上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)、臨港新城等產(chǎn)業(yè)基地的發(fā)展提供了寶貴土地資源。

由于這些圍海造地工程位于河口淺水區(qū)，受到來自流、浪、潮的共同作用。特別在臺風(fēng)暴潮期間，由于潮位、波浪與潮流等海洋靜動(dòng)力作用的增強(qiáng)，造成作用于海堤結(jié)構(gòu)上的荷載極大增強(qiáng)，同時(shí)風(fēng)暴潮強(qiáng)大的海洋動(dòng)力還會(huì)對海堤基底產(chǎn)生較大的沖刷力和海岸蝕退，從而易造成海洋工程結(jié)構(gòu)的整體性失穩(wěn)破壞。當(dāng)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮的作用，如果風(fēng)暴潮的潮位高，波浪大，海水或波浪越過海堤堤頂，將會(huì)造成海堤防護(hù)工程的破壞，以及對其保護(hù)的區(qū)域范圍造成極大的損失。歷年來在臺風(fēng)暴潮期間，時(shí)有發(fā)生海堤前保灘促淤壩嚴(yán)重刷深和海堤護(hù)面結(jié)構(gòu)較大程度損壞的現(xiàn)象。隨著深水中海堤的建設(shè)，堤前高灘沒有了，帶來的不僅是河勢和生態(tài)上的問題，直接面臨的是防臺保安問題［1］。隨著可靠度理論的廣泛應(yīng)用和不確定性理論研究的逐漸深入，將工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工以及使用過程中種種影響結(jié)構(gòu)安全、適用、耐久的不確定性因素，逐步引入不確定性分析方法，能夠更全面了解結(jié)構(gòu)真實(shí)狀態(tài)的反映［2］。因此本文應(yīng)用結(jié)構(gòu)可靠度理論對上海地區(qū)海堤整體穩(wěn)定安全性進(jìn)行研究。

1 海堤整體穩(wěn)定可靠度分析理論

對于上海地區(qū)海堤整體穩(wěn)定安全性可采用Bishop法進(jìn)行計(jì)算，考慮土的力學(xué)參數(shù)的變異性，應(yīng)用可靠度理論分析海堤失穩(wěn)的概率。

海堤整體穩(wěn)定可靠性分析的功能函數(shù)一般選用抗滑力矩MR與滑動(dòng)力矩MS之差或抗滑力矩與滑動(dòng)力矩之比的對數(shù)，由于抗滑力矩與滑動(dòng)力矩之比即為安全系數(shù)，因此海堤整體穩(wěn)定的功能函數(shù)可表示為［3-11］。

其可靠指標(biāo)可按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中，δR=σMR/μMR、δS=σMS/μMS分別為 MR和 MS的變異系數(shù)；μMR、σMR和 μMS、 分 σMS別為抗滑力矩MR和滑動(dòng)力矩MS的均值和方差。

由于海堤整體穩(wěn)定的功能函數(shù) g（X） =g（x1，x2，…，xn） 是基本隨機(jī)變量 xi（i=1，2，…，n） 的復(fù)雜函數(shù)，在土性指標(biāo)的概率分布難以確定的條件下，為便于計(jì)算，采用一次二階矩法，把功能函數(shù)在隨機(jī)變量均值μxi（xi的均值點(diǎn)）處進(jìn)行Taylor級數(shù)展開，并保留一次項(xiàng)作為近似值，即：

圖1 浦東國際機(jī)場海堤及土層剖面圖

圖2 南匯東灘四期海堤及土層剖面圖

功能函數(shù)相應(yīng)的均值和方差為：

海堤整體穩(wěn)定的最小安全系數(shù)和最小可靠度指標(biāo)采用最優(yōu)化方法進(jìn)行搜索。選用模式搜索法中的單形法對最小安全系數(shù)和最小可靠度指標(biāo)進(jìn)行搜索。基本思想是根據(jù)一定的模式，比較不同自變量的目標(biāo)函數(shù)，確定最優(yōu)的搜索方向，最終找到最小值［4-5］。

3 海堤整體穩(wěn)定安全性分析

根據(jù)上海地區(qū)海堤的地理分布位置，可大致劃分為長江口南岸、杭州灣北側(cè)及崇明三島三個(gè)區(qū)域，選取典型海堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體穩(wěn)定安全性分析，其中長江口南岸選取浦東國際機(jī)場圍海海堤，杭州灣北側(cè)選取南匯東灘圍海海堤，崇明三島選取崇明島南門港海堤。各典型斷面及相關(guān)計(jì)算參數(shù)見圖1～圖3和表1～表3。

表1 浦東國際機(jī)場海堤各土層計(jì)算參數(shù)表

表2 南匯東灘四期海堤各土層計(jì)算參數(shù)表

表3 崇明南門港海堤各土層計(jì)算參數(shù)表

圖3 崇明南門港海堤加固斷面圖

由上海地區(qū)海堤的特點(diǎn)可知，一般海堤實(shí)施后對圍內(nèi)會(huì)進(jìn)行吹填抬高地面高程，因此海堤的整體穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在正坡一側(cè)。本文研究主要對海堤的正坡進(jìn)行分析。

一般海堤的整體穩(wěn)定可靠性的主要影響因素參數(shù)可分為四大類。

第一類為幾何尺寸，主要為海堤的斷面尺寸，其中海堤斷面幾何尺寸一般都能事先確定，施工完成后變異性很小，可視為常量。

第二類為土性指標(biāo)，包括凝聚力、摩擦角和容重等。日本學(xué)者松尾稔、國內(nèi)學(xué)者陳立宏等曾對各主要土性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行過詳細(xì)的研究，其研究成果認(rèn)為大部分土性參數(shù)符合正態(tài)分布［6］。

第三類為荷載，包括海堤結(jié)構(gòu)自身重量和外荷載。參照《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50199-94）［7］， 堤身結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)自重既是作用又是抗力，考慮到土重度的變異系數(shù)很小，可靠度指標(biāo)受土重度的影響較抗剪指標(biāo)相比要小得多，為簡化計(jì)算，將土重度也作為定值處理。外荷載的分布可采用極值統(tǒng)計(jì)法和平穩(wěn)二項(xiàng)隨機(jī)過程概率模型描述。

第四類為邊界條件，包括外海潮位、地下水、灘地高程等。其中外海潮位和地下水通過不同的水位組合考慮對海堤的影響。灘地高程的變化比較復(fù)雜，與岸灘的河勢變化、風(fēng)浪沖刷等各種自然環(huán)境和自然災(zāi)害相關(guān)。一般計(jì)算中考慮各種不利水位組合以及灘地可能的沖刷情況作為特定的參數(shù)按常量的方式進(jìn)行確定。

以上各典型斷面整體穩(wěn)定安全系數(shù)、可靠度指標(biāo)及失效概率的計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各典型斷面整體穩(wěn)定安全系數(shù)、可靠度指標(biāo)及失效概率

從表4各典型斷面整體穩(wěn)定安全性分析計(jì)算成果顯示，上海地區(qū)現(xiàn)狀海堤均具有相對較高的安全系數(shù)。均滿足《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）［8］對1級堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為 1.3的要求。

參照《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50199-94）［9］對目標(biāo)可靠度指標(biāo)的規(guī)定， 上海市海堤作為重要的建筑物，安全級別為一級，根據(jù)破壞類型程度，應(yīng)為第二類破壞，即指突發(fā)性破壞，破壞前無明顯征兆，結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生事故難于補(bǔ)救或修復(fù)。相應(yīng)的可靠度指標(biāo)應(yīng)不低于4.2。從表4計(jì)算可推知，上海地區(qū)大部分海堤抗滑穩(wěn)定可靠度指標(biāo)偏低，相應(yīng)海堤結(jié)構(gòu)失效概率偏大。海堤工程安全可靠度偏低的原因主要是由于海堤結(jié)構(gòu)多均建在地基土沉積時(shí)間較短的海岸灘涂上，淺層地基土土性指標(biāo)離散性較大，這也說明了土體物理力學(xué)指標(biāo)對整體穩(wěn)定安全的影響較大。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)研究［3-13］，土體抗剪指標(biāo)的均值對土坡穩(wěn)定的影響最為顯著，其次為相關(guān)土性指標(biāo)的變異系數(shù)，兩者對安全系數(shù)和可靠度指標(biāo)計(jì)算結(jié)果影響很大。該研究成果說明對于軟土地基提高土體的強(qiáng)度，對提高海堤穩(wěn)定性安全度效果最明顯，而降低土性指標(biāo)的離散性和變異系數(shù)，對提高海堤整體穩(wěn)定可靠度是非常有效的。因此提高堤身填筑的密實(shí)度，采用逐層填高堤身的方式，通過堆載預(yù)壓對軟土地基進(jìn)行加固是提高海堤整體穩(wěn)定安全性和可靠性較好的措施。

考慮到上海地區(qū)沿海海堤堤腳前沿灘地在水流、風(fēng)浪、河勢演變和各種海洋災(zāi)害的作用下，其變化具有強(qiáng)烈的不確定和復(fù)雜性，因此在了解海堤整體穩(wěn)定安全性的基礎(chǔ)上，針對不同的灘地高程對海堤穩(wěn)定安全的可靠性進(jìn)行分析。以南匯東灘四期海堤為典型實(shí)例，現(xiàn)狀海堤由于是在先淤壩再興建海堤堤身圈圍的方式下形成，海堤前沿灘地高程相對較高，根據(jù)計(jì)算，整體穩(wěn)定安全性也較高，通過逐步降低灘地高程，分析灘地的沖刷對圍堤穩(wěn)定性的影響。計(jì)算結(jié)果見表5和圖4。

表5 堤前灘地高程變化對可靠度指標(biāo)的影響

圖4 海堤整體穩(wěn)定安全系數(shù)和可靠度指標(biāo)隨堤前灘地高程變化敏感性分析圖

由表5和圖4的計(jì)算成果可知，在土性參數(shù)指標(biāo)具有相同標(biāo)準(zhǔn)的情況下，當(dāng)海堤堤前灘地降低或因某種原因被沖刷，堤坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)和相應(yīng)的可靠度指標(biāo)都成較大幅度的降低，特別是灘地沖刷至一定高程，可靠度指標(biāo)的衰減加劇。因此采取堤腳前保灘以及采取先促淤將灘前高程抬高再進(jìn)行圈圍的方式都是提高海堤結(jié)構(gòu)安全可靠性的有效措施。

4 結(jié)語

針對上海地區(qū)海堤現(xiàn)狀，應(yīng)從安全系數(shù)和可靠度指標(biāo)兩個(gè)方面復(fù)核海堤整體穩(wěn)定安全性。通過對選取的典型海堤結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行計(jì)算，安全系數(shù)均能達(dá)到GB50286-2013規(guī)定，但可靠度指標(biāo)均低于GB50199-94規(guī)定的一級水工建筑物的要求，相應(yīng)的海堤整體抗滑穩(wěn)定失效概率偏高。

通過提高堤身填筑的密實(shí)度，采取分層均勻填高堤身的筑堤工藝，利用堆載預(yù)壓等地基處理方式對軟土地基進(jìn)行加固是提高海堤整體穩(wěn)定安全性和可靠性較好的措施。

海堤堤腳前加強(qiáng)護(hù)灘以及采取先促淤將灘前高程抬高再構(gòu)筑海堤的方式等措施對提高海堤結(jié)構(gòu)安全可靠度具有良好的效果。

上海地區(qū)海堤所涉及的范圍非常廣泛，相應(yīng)的安全分析所包含的研究內(nèi)容也非常龐大，限于收集的基礎(chǔ)資料無法面面俱到，研究分析的成果僅是對典型海堤段進(jìn)行分析，以期望得到一般性的規(guī)律，為指導(dǎo)上海等軟土地區(qū)海堤安全性的調(diào)查研究起到一定的基礎(chǔ)性作用。

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1008-1305（2017）05-0089-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.028

2017-06-08

蔡小芳（1974年—），男，工程師。