海堤结构型式及抗滑稳定性计算分析

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1、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。

2、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

3、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。图1海堤结构型式　　(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，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，平台上部则采用1∶0.4的干砌石斜坡，石方与土方间用50cm厚石渣过渡

4、。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

5、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图2潮位曲线，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。(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

6、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γ1浮容重γ'1凝聚力C摩擦角φ给水度/(cm/s)/(t/m3)/(t/m3)/(kg/cm3)/°μ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(UnsteadySee

7、pageandStability)，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；Δ——三角形单元面积；α——单元形心的半径与铅垂线所成的角度；α'——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；γ——水的容重；γ1——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

8、、z方向的渗透坡降分量；l——各土层中滑弧的长度；c'、φ'——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