海堤结构型式及抗滑稳定性计算分析.docx

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1、厚30CnI的碎石过渡层，防浪墙顶高程10m,顶宽80cm,堤顶采纳图1海堤结构型式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（南京水利科学争论院）（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国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周弧更为合理，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

2、，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从消浪防冲观点推举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许多，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、石料便利地区，则可建筑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，并认为都是建筑在海淤土上的。本文也混凝土护面厚IOCnb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

3、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，其顶部采纳浆砌块体补强，间隔留有干砌体保留缝隙供波浪水、气进出。平台下为1：2.5的斜坡，平台上部则采纳1：0.4的干砌石斜坡，石方与土方间用50Cm厚石渣过渡。2争论内容和计算方法水工建筑物设计建筑是否平安经济，必需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争论堤身及堤基的稳定性，波浪压力及爬高则依据相近似海堤型式的水工模型试验资料加以转换引用，本文争论内容及其计算条

4、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。图2潮位曲线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。波要素也采纳50年一遇重现期，波高H=2.30m,周期T=6s.3s形成波E峰，其波压力依据文献二2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。其中直立式海堤采纳丁山海堤试验资料，带平台的复式断面采纳苍山

5、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。(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/(cm/s)容重Yl/(tm3)浮容重y/(tm3)1分散力C/(kgcm3)摩擦角中/0给水度淤泥质粘土101.81.00.1160.002淤泥IoT1.60.90.180.002块石IO02.01.1O400.3滤层IO22.01.1O400.

6、15计算采纳有限单元法程序UNSST(UnSteadySeepageandStability),依据非稳定渗流过程结合滑坡计算查找最危急滑弧的平安系数。由于海淤土抗滑性很差，常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，其平安系数为斤=/+()+)Jpcs$一丁JXSln1Z电机(为+TJ2)rsin+yJx(2rcosty-Rcostr)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；Q一一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；Y水的容重；1土的容重，饱和区取浮容重

7、，渗流自由面以上非饱和区取自然容重；工、JZ渗流区土体单元沿X、Z方向的渗透坡降重量；1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，很便利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连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，其平安系数计算公式为式中

8、M、M2分别为两个圆弧滑动面上各绕其圆心的抗滑力矩；此、Mz分别为两个圆弧包围土体绕其圆心的滑动力矩；a.a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.由于抗滑力发生在圆弧滑动面上，所以应留意到小圆弧内BEF部分土体单元体积力的铅垂重量作用到大圆弧时应实行淤泥地基的土力学指标c、小值。程序支配查找最危急滑弧位置时，可先设定淤泥地基表层内平直微凹的大圆弧，再向堤体内延长小圆弧。至于在淤泥层大圆弧末端再连

9、接小圆弧滑出地面的复合圆弧滑动，同理可以推得公式，即在式(2)分子中增加一项a2a3M3在分母中增加一项a2a3M.改造淤泥地基的措施，可以采纳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平安系数公式中的分子项再增加一项抗滑力矩M=RTgCOSQ即可，这里的TG为加筋网的设计抗拉强度(2tm左右)，网与滑换点B的半径R偏离铅垂线的夹角为。02海堤图4复合圆弧滑动计算示意蹈工图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

10、质透水性小。在堤护坡下过渡层内有部分水体没有散尽，形成肯定高度的自由面。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.斌图6斜坡式海堤在高潮及潮落时渗流场分布依据潮位下降过程各级水位时渗流场追踪查找其最危急滑弧，得知潮位从6.9m降至4.Om时，由于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。对这种状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。对这种状况的边坡稳定性计算结果见表2.下游坡平安系数为1.025,上游坡在潮位降至3.5m时平安系数最小为1.05.表2斜坡式海堤稳定性计算结果

11、滑弧位置工况平安系数备注(X,Y)半径有渗流(10,12)10.831.025堤基中=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堤基力=16波浪作用下上游坡下降至波谷(-7,11)9.51.173堤基。=8提升至波峰(-8,12)9.51.25堤基中=8波峰(12,14)12.821.320堤基力=16波浪作用下下游坡(10,12)10.831.022堤

12、基。=8波谷(12,14)12.821.329堤基中=16(10,12)10.831.027堤基。=8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平安系数为1.17.下游坡在波峰时最小平安系数为1.02.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

13、危急滑动单圆弧，圆心坐标(-7,12),半径R=10.81m,算得平安系数n=L05；而用复合圆弧，小圆弧中心坐标(T.3,10.8),半径R=7.0m,大圆弧半径R2=25.5m,计算n=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2tm,上述滑弧下可以提高平安系数到L150.3.2直立式海堤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.Om）,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

14、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平安系数为0.943,无渗流作用时为L136；若提高软土地基的为16,则在高潮位入渗和无渗流时抗滑平安系数分别提高到1.217和1.470.直立式防护墙的上游坡稳定性，当潮落时危急，如图8所示，从高潮位6.9m降至4m时，上游坡抗滑平安系数最小为0.865,无渗流作用时，为1.076；提高软土地基的强度为16抗滑平安系数提高为1.103和1.249.胞离面图8直立式海堤在高潮位及潮落时渗流场分布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

15、波谷时堤身和堤基内渗流场分布迥异，但土方内自由而变化幅度较小。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%.距寓/m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平安系数最小为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

16、.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平安系数为=0.995,下游坡稳定性最小为n=0.952.用复合圆弧滑动计算，上游坡n=0.983,下游坡n二0.940.若提高到。二16,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全都。波浪上爬至9.2m高程时，计算上游坡的稳定性，其抗滑平安系数为L187,而下跌至波谷时，稳定性降为0.995,下游坡则为0.888和0.944.矩卬m图11复式海堤在波浪作用下渗流场分布（第7个波）通过上述3种结构型式

17、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攻击的条件下，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：(D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意常规设计抗滑平安的要求。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，特殊是上游坡，必需考虑瞬时的渗流方向及其渗透力作用，此时的平安系数就略有减小，直立式堤和复式堤已减为略小于1,最小是0.865和0.995.(3)由于直立式和复式堤中的渗流自由面较斜坡式堤中的略

18、高，故下游坡的抗滑稳定性也较斜坡式堤差，平安系数最小是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四周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。依据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L61.8m的水头压差变化，直立式

19、墙受浪击集中，压差也稍大。此种抽吸脉动压差来回作用着，对于该局部的护砌块石将造成松动破坏。最猛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简单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1L5m的水头压差来回作用着。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需增设平铺滤层。(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，更可求得较小平安系数的危急滑

20、坡趋向。若淤泥的土力学指标更差，又不考虑地基渗流时，两种方法的计算平安系数相差也稍增大。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，因此仍有深化争论的必要，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争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，即在设计高潮位高程留24m宽的平台以缓冲浪击，斜坡升至顶部接一反弧挡浪墙,减轻越浪的危害；但应留意若反弧不与其下斜坡面平滑连接,就失去了反弧的作用。同时还应爱护堤顶防止越浪和暴雨的冲刷下渗。

21、当然地基的要求和材料的限制以及施工条件等也必需考虑，以便选取因地制宜的结构型式。(2)海堤的稳定性设计水力条件，应选取高潮位下落过程和风浪爬高后降到波谷时两种状况比较计算非稳定渗流时的上游坡抗滑整体稳定性，选用高潮位计算稳定渗流时的下游坡抗滑稳定性。在设计波浪爬高的波浪压力脉动条件下，计算上游坡的局部稳定性，此局部冲击的中心约在风浪潮位静水面下约1/3波高的范围内。(3)海堤抗滑稳定性计算，必需结合非稳定渗流场计算分析，允许采纳有限单元法圆弧滑动，但若海淤软基抗滑很差，则宜采纳复合圆弧滑动面计算。为提高淤泥地基的抗滑力量，还可在堤底铺设加筋土工网(织物)，甚至考虑采用当地材料铺粗砂垫层或以芦苇

22、、芦竹编排垫底，既可抗滑也能加快海淤土的排水固结。参考文献1毛昶熙，等。东南沿海海堤现状调研报告。南科院报告，1995.2乔树梁，等。浙东海堤抗浪性能试验。南科院报告，1995.3毛昶熙，电模拟试验与渗流争论。北京：水利出版社，198L4浙江省海塘工程技术规定，其次册(送审稿).浙江出版社：浙江省水利厅，1996.5余广明。中国式海塘的水力性能。水利水运科学争论，1989,(1).6娄洪恩，贺辉华。孤岛其次水库上游护坡修复稳定试验。南科院报告，1995.7毛昶熙，等。AnalysisofslopestabilityofearthdamunderseepageflowbyF.EOM.,J.HydraulicEngineering,1992,(2).8毛昶熙，李吉庆。土坡渗流整体稳定性分析与掌握。人民长江，1990,(12).