充砂管袋筑堤整體穩定性離心機模型試驗研究

喬小利，左殿軍,2，張宇亭,2，馬希磊

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.河海大學 巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098)

0 引 言

在我國大部分近海地區的海岸和海底都存在著海相或湖相沉積的軟土層，厚度幾米到幾十米不等，如長江口、珠江口、渤海灣等地區，軟土層的物理力學指標較差、承載能力較低，在這些地區建設海堤工程，沉降和穩定是兩大關鍵性控制因素。國內外早期海堤結構以填筑傳統土、石料為主，隨著施工技術和材料科學的進步及理論研究的深入，傳統石料堤心逐步被充填砂袋堤心、充泥袋堤心、大管袋堤心等方法代替。

工程實踐表明，充砂管袋筑堤堤身穩定安全性影響因素主要有工程地質情況及地基處理措施，護面結構的防沖性，土工膜袋的耐久性等因素。學者針對軟基海堤工程的穩定性進行了較多的研究。陳曉平，等[1]根據軟土變形時效特性、自重應力場與流變場的耦合特性，建立了軟土蠕變模型和滲流作用下的耦合應力場分析模型，并進行了驗證。趙宇坤，等[2]對黃河下游堤防在水位驟降工況下的堤坡穩定狀態進行了研究。高峰[3]認為在施工期間軟土地區堤防既要考慮孔隙氣壓和孔隙水壓對堤防穩定性的影響，同時也要考慮地基固結度提高對堤防穩定性的影響。趙壽剛，等[4]提出了黃河堤防滲透破壞標準的建議，對堤防滲流穩定性進行了探討。A.S.Al-Homoud，等[5]提出了計算堤壩的三維滑坡穩定計算軟件(PTDSSA)。H.Hasani，等[6]針對現場實際工程使用Geo-studio軟件進行了滑坡和滲流分析。

筆者采用離心機模型試驗針對天津市漢沽區海擋外移實際工程進行海堤工程安全穩定性進行研究。詳細介紹了模型試驗過程中所采用的模擬手段、模擬方式，獲得了沖刷前后堤壩的變形實物圖及位移場分布，試驗結果對本區域內海擋工程設計具有一定參考意義。

1 工程背景

天津市漢沽區海擋外移工程位于漢沽區東南、渤海灣西北灣頂、蔡家堡至大神堂村之間的海岸帶，距原海岸線約3.75～5.81 km(圖1)。海擋外移工程軸線總長8 634.91 m，其中口門保護段長500 m，實際海堤長度8 134.91 m。海堤中東連接段長40.0 m，西連接段長2 599.6 m。北疆電廠瀝水池西堤軸線與中心漁港引航道東擋沙堤軸線間外移海擋軸線長度6 097.31 m，海堤長度5 597.31 m。其東、西端分別與北疆電廠瀝水蓄水池西堤、天津中心漁港引航道東堤相接。

圖1 天津市漢沽海擋外移工程位置Fig.1 Location of Hangu sea block relocation project

海擋外移工程海堤堤頂設計高程6.0 m，胸墻頂高程7.5 m。堤頂寬度8.0 m，堤頂道路凈寬6.0 m。堤身用50 cm厚通長充砂管袋填筑。充泥管袋用200 g/m2聚丙烯編織布(或機織布)縫制。海擋工程斷面見圖2。

圖2 天津市漢沽海擋外移工程斷面Fig.2 Sectional view of Hangu sea block relocation project

2 離心機模型試驗概況

試驗采用香港科技大學土工離心機，香港科技大學離心機建成于2001年，各項測試、監視設備齊全，配有四向機械手，可實現多功能模擬[6-7]。離心機主要設計指標：容量為400g-t，旋轉半徑為4.2 m，最大加速度150g(圖3)。圖4為試驗所采用二維模型箱，其尺寸為1.25 m×0.35 m×0.85 m。

圖3 香港科技大學土工離心機(400 g-t)Fig.3 Centrifuge of HKUST (400 g-t)

圖4 離心機二維模型箱Fig.4 Two dimensional model box of centrifuge

本次試驗的目的為研究堤壩的穩定性，因此堤壩的穩定性、位移和堤壩下土體的沉降變形為主要的檢測對象。如圖5，在模型箱中布置有兩臺數碼攝像機(像素1 024×1 024)，兩臺高清數碼相機(像素2 560×1 920)及兩個LVDT豎向位移傳感器對試驗中變形進行監測。數碼攝像機錄制整個試驗的過程，一臺正對著堤壩的側面，另一臺安裝在堤壩的正上方。高清數碼相機用來記錄試驗過程的錄像，在釋放重液模擬應力釋放效應時，設置相機拍攝圖片的間隔時間為30 s，用于在試驗結束后使用PIV軟件進行土體的位移場分析。同時，在堤壩頂部和坡腳處分別安裝LVDT豎向位移傳感器來監測土體的豎向位移。

圖5 監測裝置布置Fig.5 Layout of monitoring device

2.1 模型比例

表1列出了離心機模型試驗中的物理量比例關系，離心機模型試驗中獲得的結果與實際具有額定的比尺關系[7]。本次試驗采用1 ∶100(模型 ∶原型)的離心試驗模型。

表1 主要物理量比尺關系Table 1 Main physical ratio relationship

2.2 模擬方法

模型試驗中采用的主要模擬方法主要有以下幾種：①通過釋放重液(ZnCl2)的方法模擬淤泥沖刷[8-9]；②采用具有相同荷載的豐浦砂墊層代替內側淤積的淤泥；③將豐浦砂置于封閉的土工編織物袋中用于模擬充砂管袋，袋中的豐浦砂與現場的土體具有相同的密度；④使用計算得到的顆粒粒徑范圍的堆石料模擬護面結構進行堆筑。

圖6為海擋工程標準斷面的離心機試驗模型設計圖。模型箱左側預留梯形體槽，模擬沖刷區域，與現場實際情況相對應得其深度、底部寬度和上部寬度分別為20，260和300 mm。堤壩位于模型箱的中間，其上部寬80 mm，下部寬400 mm，高80 mm，沖刷離堤腳最近的距離為175 mm。堤壩外側的砂墊層厚度為10 mm，模擬現場1 m厚的泥沙淤積層。模型試驗中主要使用的試驗土料有：粉質黏土、堆石料和豐浦砂層。粉質黏土層下部為一層50 mm的豐浦砂墊層，用來提供排水路徑；上部為充砂管袋和泥砂淤積層。

圖6 離心機試驗模型Fig.6 Diagram of centrifuge test model

2.3 模型試驗設置

圖7為模型試驗設置圖，其中圖7(a)為本次試驗中所采用的二維模型箱和照片處理技術(PIV)的參考點和控制點，參考點、控制點之間的間距為80 mm。試驗完成后，依據參考點和控制點進行標定得到土體的絕對位移；圖7(b)為土體固結時使用的排水系統，主要由4條PVC管子組成，每個管子上面預備多個排水孔，外側用土工編織布進行包扎。圖中左側的兩根水管連接到底部的排水系統用來控制水位；圖7(c)豐浦砂墊層的制作，為了得到均勻的砂墊層，豐浦砂從模型箱頂部采用砂雨法撒入，其厚度為50 mm。采用水頭飽和，排除砂中的空氣；圖7(d)為粉質黏土層制作，試驗中，地基土為香港科技大學現有的粉質黏土，分兩層土體(10.5 cm和11.5 cm)進行制樣。與現場相同的干密度作為制樣的控制參數，淤泥質粉質黏土和粉土的目標干密度為1.24和1.66 g/cm3，其含水量為16%。總的土層厚度為220 mm，分8層進行制樣，每層土體的厚度為25～30 mm。制樣的過程中，每層土的含水量有不同程度的損失，因此，每兩層土樣制備完成后，進行含水量的測試。完成每層土體后，在有機玻璃側的土體撒黑砂(用于分析土體的位移場)，并把每層土體表面刮花。圖7(e)為試樣制備完成后的正視圖和俯視圖。圖7(f)為用來盛放重液的無剛度橡膠模袋，橡膠模袋底部尺寸與預留的開挖槽大小一致。安裝水袋后，進行測驗，無漏水現象。把清水排除后，倒入事先配置好的重液在橡皮膜中。采用水頭飽和的方式，從試樣底部緩慢進水，直至達到并維持水位在試樣的表面。

圖7 模型試驗設置圖Fig.7 Model test setup

2.4 試驗流程

本次試驗對土體進行二次固結，并在高倍加速度下模擬開挖效應。具體的步驟如下：

1)升至100g。進行第一次固結離心機目標加速度為100倍重力加速度(100g)，整個升g過程為10 min。根據A.Asaka[10]提出判斷固結度的方法，當位移傳感器測量得到的土體沉降達到最終沉降的95%以上時，認為土體主固結完成。

2)降至1g。堆筑充砂管袋、護面塊石和砂墊層第一次固結完成以后，在約60 min內降重力加速度到1g，堆筑充砂管袋、護面塊石和砂墊層。圖8為充砂管袋和砂墊層堆積完成后的模型圖。堆筑完成后，進行第二次的高倍加速度固結。

3)升至100g。進行二次固結堆筑結束后，離心機的加速度再次升到100倍重力加速度(100g)，整個過程為3 h。

4)模擬沖刷。根據A.Asaoka[10]提出判斷固結度的方法，當測得的土體沉降再次達到最終沉降的95%以上時，進行沖深模擬。打開控制開挖的閥門，將事先放置在開挖區域橡皮袋中的ZnCl2溶液會緩慢的排出，用來模擬淤泥沖刷產生的應力釋放效應。維持離心機高速旋轉(100g)1 h，得到淤泥沖刷一年后地基土和海擋的響應。

圖8 固結完成后加載層Fig.8 Loading layer after consolidation

3 離心機模型試驗結果及分析

圖9、圖10為沖刷前和外側沖深2 m一年后堤壩斷面的正視圖和俯視圖，可以看出,淤泥沖刷的深度為2 m，沖刷引起的土體位移較小，對于海擋工程影響較小。圖11為土體位移場試驗結果圖，試驗中，堤壩頂部和坡腳處安裝了兩個位移傳感器來測量土體的豎向位移。3個月后，堤壩坡腳處和頂部的豎向位移分別為28和14 mm?？紤]外側沖刷深度2 m1年后，堤壩坡腳處和頂部的豎向位移分別為58和28 mm。

圖9 沖刷前后堤壩正視圖Fig.9 Front view of the dam

圖10 沖刷前后堤壩俯視圖Fig.10 Top view of the dam

圖11 沖刷一年后的土體位移場Fig.11 Field displacement of soil erosion after one year

通過圖11沖刷位移場可以看出，充砂管袋地基土層位移由內向外呈現水平滑動和豎向隆起的趨勢，這說明充砂管袋筑堤有滑動失穩的危險性，同時，從位移場分布區域來看，在堤身外側形成明顯的滑動帶。由此，可以看出采用土工離心機試驗能夠準確的模擬充砂管袋筑堤的安全穩定性。

4 結 論

筆者針對天津市漢沽區海擋外移工程，采用離心機模型試驗對海擋工程的安全穩定性進行了研究，研究結論如下：

1)在離心機模型試驗過程中，首先采用預固結技術手段模擬了充砂管袋筑堤的地應力平衡情況，然后采用了抽氣壓代替充砂管袋筑堤外側沖刷情況，模型試驗過程具有一定新穎性。

2)海擋工程外側灘面沖刷深度2 m對海擋工程的安全穩定性影響較小，3個月后，堤壩坡腳處和頂部的豎向位移分別為28和14 mm；一年后，堤壩坡腳處和頂部的豎向位移分別為58和28 mm。

3)模型試驗位移場結果表明，充砂管袋筑堤在外側沖刷的條件下易形成滑動帶，這說明采用離心機模型試驗對海擋工程的安全穩定性研究對本區域內海擋工程設計具有一定參考意義。

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