海堤結(jié)構(gòu)型式及抗滑穩(wěn)定性計(jì)算分析

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1、海堤結(jié)構(gòu)型式及抗滑穩(wěn)定性計(jì)算分析毛昶熙段祥寶毛佩郁張士君周驥(南京水利科學(xué)研究院)(浙江省水利廳)摘要本文在東南沿海的海堤結(jié)構(gòu)型式及有關(guān)潮位、波浪和海淤土強(qiáng)度的資料基礎(chǔ)上，進(jìn)行了非穩(wěn)定滲流有限元法計(jì)算，以及在潮位和波浪作用下的抗滑整體穩(wěn)定性計(jì)算分析。比較了單圓弧滑動(dòng)和復(fù)合圓弧滑動(dòng)以及加筋抗滑的有限元法計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為海淤軟基抗滑計(jì)算以復(fù)合圓弧更為合理，斜坡式比直立式海堤的抗滑穩(wěn)定性稍好，結(jié)合三防(防浪、防沖、防滲)考慮，當(dāng)以帶平臺(tái)的復(fù)式斷面海堤結(jié)構(gòu)型式為好，但仍應(yīng)因地制宜。關(guān)鍵詞海堤，結(jié)構(gòu)型式，穩(wěn)定分析，潮位變化，波浪沖擊，滲流，有限元法。1海堤結(jié)構(gòu)型式???海堤結(jié)構(gòu)型式有斜坡式、直立式和帶平

2、臺(tái)復(fù)式斷面3種，文獻(xiàn)[1]從消浪防沖觀點(diǎn)推薦了帶平臺(tái)的斜坡復(fù)式斷面加反弧防浪墻的結(jié)構(gòu)型式，但影響結(jié)構(gòu)型式的因素很多，因地制宜至為重要。例如在海灘淤泥土上堆筑堤防，以斜坡土堤防滲、外加塊石護(hù)面防沖為宜；海淤土上的圍墾海堤以緩坡加平臺(tái)和兩邊壓載排滲為宜；地基較好、石料方便地區(qū)，則可建造接近直立墻式海堤或平臺(tái)消浪混合式海堤。浙江省海堤現(xiàn)狀可以概括為圖1所示的3種典型斷面結(jié)構(gòu)形式[4]，并認(rèn)為都是建造在海淤土上的。本文也將以此型式為計(jì)算分析研究對(duì)象，3種結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)述如下：　　(1)斜坡式海堤采用的概化斷面見(jiàn)圖1(a)，護(hù)坡結(jié)構(gòu)為干砌塊石，護(hù)面厚為40cm，護(hù)面下為厚30cm的碎石過(guò)渡層，防浪墻頂高程

3、10m，頂寬80cm，堤頂采用混凝土護(hù)面厚10cm，石渣墊層30cm厚。圖1海堤結(jié)構(gòu)型式　　(2)直立式海堤概化斷面見(jiàn)圖1(b)，干砌石防護(hù)墻。土方與石方間有60cm厚的過(guò)渡層。其余基本類同斜坡式堤。???(3)復(fù)合海堤式概化斷面見(jiàn)圖1(c)，平臺(tái)設(shè)在設(shè)計(jì)高潮位下40cm處，其頂部采用漿砌塊體補(bǔ)強(qiáng)，間隔留有干砌體保留縫隙供波浪水、氣進(jìn)出。平臺(tái)下為1∶2.5的斜坡，平臺(tái)上部則采用1∶0.4的干砌石斜坡，石方與土方間用50cm厚石渣過(guò)渡。2研究?jī)?nèi)容和計(jì)算方法　　水工建筑物設(shè)計(jì)建造是否安全經(jīng)濟(jì)，必須預(yù)先知道作用在建筑物上的水力條件，包括潮漲潮落、波浪沖擊和滲流破壞力以及排水固結(jié)過(guò)程等水的作用力?？?/p>

4、是由于缺乏依據(jù)很少能完善地考慮這些力進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文只從滲流場(chǎng)計(jì)算分析研究堤身及堤基的穩(wěn)定性，波浪壓力及爬高則按照相近似海堤型式的水工模型試驗(yàn)資料加以轉(zhuǎn)換引用，本文研究?jī)?nèi)容及其計(jì)算條件和方法如下。2.1潮漲落過(guò)程中的海堤滲流分析選用50年一遇高潮位6.9m，潮位周期為12.4h，最大潮差為6m，潮位曲線如圖2所示。計(jì)算時(shí)選取最高潮位時(shí)穩(wěn)定滲流場(chǎng)作為初始條件，以一個(gè)潮位周期后的流場(chǎng)作為分析資料。2.2波浪作用下海堤滲流分析選取最高潮位時(shí)穩(wěn)定滲流場(chǎng)作為計(jì)算初值，然后考慮波浪向坡上爬高，再跌入波谷時(shí)流場(chǎng)分布。波要素也采用50年一遇重現(xiàn)期，波高H=2.30m圖2潮位曲線，周期T=6s.3s形成波峰，其

5、波壓力根據(jù)文獻(xiàn)[2]中試驗(yàn)資料，繪出沿墻面波壓力分布，以水頭值賦給單元結(jié)點(diǎn)上，再3s形成波谷，波谷以上坡面按自由滲出段。其中直立式海堤采用丁山海堤試驗(yàn)資料，帶平臺(tái)的復(fù)式斷面采用蒼山門外塘試驗(yàn)資料，斜坡式參照弧島水庫(kù)護(hù)坡試驗(yàn)資料。各式堤坡上的波壓力分布如圖3所示。(a)(b)(c)圖3波壓力分布2.3滑坡穩(wěn)定性計(jì)算上游坡計(jì)算潮落時(shí)或波谷時(shí)的邊坡穩(wěn)定性，下游坡則計(jì)算高潮位時(shí)穩(wěn)定滲流場(chǎng)或波峰時(shí)非穩(wěn)定流作用下的背水坡的穩(wěn)定性，也計(jì)算了無(wú)滲流作用時(shí)上下游邊坡的穩(wěn)定性。各種土的土力學(xué)指標(biāo)和參數(shù)系數(shù)、給水度見(jiàn)表1.表1各土層土力學(xué)指標(biāo)土層滲透系數(shù)k容重γ1浮容重γ'1凝聚力C摩擦角φ給水度/(cm/s)/

6、(t/m3)/(t/m3)/(kg/cm3)/°μ淤泥質(zhì)粘土10-61.81.00.1160.002淤泥10-51.60.90.180.002塊石1002.01.10400.3濾層10-22.01.10400.15　　計(jì)算采用有限單元法程序UNSST(UnsteadySeepageandStability)，按照非穩(wěn)定滲流過(guò)程結(jié)合滑坡計(jì)算尋找最危險(xiǎn)滑弧的安全系數(shù)。由于海淤土抗滑性很差，經(jīng)常沿堤底淤泥層滑坡，如圖4所示。因此除單一圓弧滑動(dòng)外，還計(jì)算比較了復(fù)合圓弧滑動(dòng)?！　￡P(guān)于單圓弧滑動(dòng)有限單元法計(jì)算公式，其安全系數(shù)為[7]（1）式中R——滑弧半徑；Δ——三角形單元面積；α——單元形心的半徑與鉛

7、垂線所成的角度；α'——單元形心向下與滑換點(diǎn)的半徑與鉛垂線所成的角度；r——單元形心到滑動(dòng)圓心的半徑距；γ——水的容重；γ1——土的容重，飽和區(qū)取浮容重，滲流自由面以上非飽和區(qū)取自然容重；Jx、Jz——滲流區(qū)土體單元沿x、z方向的滲透坡降分量；l——各土層中滑弧的長(zhǎng)度；c'、φ'——土體有效強(qiáng)度指標(biāo)。上式分子項(xiàng)為滑弧上的抗滑力矩，分母為滑動(dòng)土體的滑動(dòng)力矩。上式直接應(yīng)用了滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，把常規(guī)條分法計(jì)算側(cè)邊的表