海砂-淤泥混合料在福州某防潮工程堤身填筑中的運用

李 文 斌

(福建省水利規劃院， 福建 福州 350001)

福建省位于我國東南，背山面海，山地多平地少，有長達3 752 km的海岸線，每年7到10月份臺風季節和八月大潮期間，風暴潮直接影響著沿海地區的經濟發展，修建海堤等基礎設施將增強沿海地區的抗潮能力，對保障沿海地區社會經濟發展具有重大意義[1]。而沿海堤防多采用山土、砂性土填筑，近年沿海地區山土、砂性土又比較缺乏，若從內陸運輸則會導致工程造價高、工期長。

海砂，由于含鹽率較高，使得人們對于其在建筑行業中的應用持有質疑態度，隨著建筑用砂需求量的持續增加，淡水砂由于再生速度慢，導致可用砂的價格不斷抬高[2-3]。歐洲國家及日本[4]等海砂的成功運用為海砂利用的可能性提供案例。在國內，海砂已在高速公路以及高等級混凝土中得到成功的應用，但作為填筑材料應用于海堤建設仍待進一步研究[5]。

淤泥，在我國每年產生的廢棄開挖疏浚淤泥達上億立方米，這些廢棄淤泥一般含水率高、孔隙比大、高壓縮性、強度低[6]。淤泥固化技術的不斷成熟為綜合利用廢棄淤泥提供了思路。陳萍等[7]進行了疏浚淤泥與焚燒底灰混合固化試驗研究。王東星等[8]進行了大摻量粉煤灰淤泥固化土的強度與耐久性試驗研究。朱婧等[9]進行了淤泥和黏性土的壓縮特性對比試驗研究。Liu等[10]對水泥、粉煤灰和礦渣作為固化劑含量對河道疏浚污泥固化的影響進行了研究。黃朝煊[11]探討了基于粉煤灰、石膏、石灰、減水劑及三乙醇胺等配方的淤泥固化技術在深厚淤泥地基中的運用。福建建工建材科技開發有限公司提出了根據生石灰改性淤泥土的含堿率確定添加鋁硅酸鹽與脫硫石膏的配比固化的方法[12]。胡孝彭等[13]對重慶市永川區河道疏浚淤泥摻入水泥固化建議量進行了研究，室內試驗以及現場應用均證實，淤泥經過快速固化以后，其物理力學性質可得到了很大的改善，可以滿足工程建設質量需求[14]，但固化成本較高依舊是制約淤泥固化土實踐的主要障礙。

由于沿海地區海砂儲量較為豐富，價格低廉，而砂無黏聚力堤防在沿海長期風浪荷載作用下易失穩，補救又較困難。適當摻合比的海砂摻淤泥混合土不僅價格較為低廉而且從原理上可用于海堤填筑[15]，海砂-淤泥混合料作為新型填筑材料進入了工程師的視野。

1 項目簡介

本次海砂-淤泥混合料工程運用結合的防潮堤工程項目為福州市某防潮工程，海堤總線長5.89 km。工程位于福州市東部、閩江入海口，為低山丘陵濱海海島，全島禁止開山挖土，土料資源匱乏。堤線所需堤身主填料約53萬m3，土料用量大，建設海堤存在土料場的選擇、堤型選擇、施工等諸多問題，而主體填筑料的選用成為本工程關鍵性的問題，基于此，很有必要對此開展研究。通過對附近備選料源的調查，工程區內側為千余畝的滯洪區以及六條內河，滯洪區以及內河開挖將產生百萬立方的淤泥，這將為海砂-淤泥混合料提供充足的淤泥原料，科學試驗以及工程計算比選可綜合評價海砂-淤泥混合料在海堤堤身填筑中的安全性、適用性及經濟性，提出適用于設計海堤以海砂-淤泥混合料作為主填筑料的摻合比，優化設計，提高經濟效益(見圖1)。

該防潮工程防潮標準為50年一遇，工程等別為Ⅱ等，海堤建筑物級別為2級。

圖1 福州某防潮堤堤線平面圖

2 堤防地層及典型設計斷面情況

2.1 地基土層

依據鉆探試驗資料，堤防地基土層自上而下為：

(1) 淤泥：呈灰黑、灰色，揭示厚度7.2 m～15.3 m，飽和，流—軟塑狀，含水率66%，含石英粉細砂約10%～15%，該層土體具有高含水率、高壓縮性等特點。

(2) 淤泥質土：深灰色,飽和,可-軟塑,含腐殖質,具腥臭味,稍粘手,手搓可成條狀,干強度較高,韌性較高，層厚約7.4 m～8.8 m，含水率51.5%，軟塑，質純。該層土體具有高含水率、高壓縮性等特點。

(3) 淤泥夾砂：深灰色,飽和,流塑,含腐殖質,具腥臭味,局部夾砂及貝殼碎屑,砂質含量約10%～15%,干強度中等,韌性中等，標貫3擊～4擊，厚約12.0 m～13.4 m，未揭穿。

(4) 粉砂：呈灰黃色，揭示厚度2.60 m～8.70 m，飽和，松散—稍密，標貫8擊～10擊，砂粒成分主要為石英，含泥約10%～15%。

(5) 粉質黏土：灰、深灰色，厚約5.8 m～8.5 m，可塑，成分主要由粉、黏粒組成。無搖振反應，切面稍光滑，干強度及韌性中等。

(6) 強風化花崗巖：灰黃、褐黃色，揭示厚度2.6 m～2.8 m。礦物成分主要為長石、石英，少量為云母。巖芯呈碎石或碎塊狀，手折可斷，為碎裂狀結構，風化裂隙發育，巖體極破碎，屬極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。

2.2 典型設計斷面

海堤設計斷面為斜坡式復合堤，堤身填筑主要材料為海砂-淤泥混合土。具體典型斷面為：堤身回填海砂-淤泥混合土，堤頂高程為10.1 m，寬5 m，迎水面高程6.80 m處設一平臺，平臺寬4 m，平臺以上坡度為1∶2.5，平臺下外邊坡1∶2，高程6.80 m平臺外側分兩級設拋石壓載，一級平臺高程4.3 m，寬15 m，二級平臺高程5.3 m，寬10 m；海堤背水坡至高程4.8 m坡度為1∶2.5，在高程7.00 m處設一寬8 m平臺，在坡腳分兩級設拋石壓載，一級平臺頂高程3.8 m，寬10 m，二級平臺頂高程4.8 m，寬4 m。由于堤防所在位置地基均為淤泥或淤泥質土，設計打設排水板以加快堤基排水固結，排水板深度為12 m～18 m(平均15 m)(見圖2)。

圖2 海堤設計標準斷面圖(平面尺寸單位：mm)

3 海砂-淤泥混合料試驗

3.1 試驗材料及基本物理力學性質

海砂-海泥混合料是一種復合材料，試驗所用淤泥取自項目區西側閩江入?？谝巹潨楹?，其基本的物理力學性質指標見表1，海砂取自項目區附近售砂場，其基本的物理力學性質指標見表2。

表1 試驗淤泥物理性質指標

表2 試驗海砂物理性質指標

3.2 試驗方案及成果

通過試驗研究不同摻合比(質量比分別為：2.5∶1.0、2.0∶1.0、1.5∶1.0、1.0∶1.0、1.0∶1.5、1.0∶2.0、1.0∶2.5)海砂-海泥混合料的強度指標、壓縮性和滲透性以確定最佳摻合比。并對推薦的最佳摻合比平行對比黏性(山)土以及攪拌水泥土固結試驗，以說明推薦混合料摻合比在固結方面的性能。

3.2.1 海砂-海泥摻合比確定

通過對不同摻合比的海砂-海泥混合料進行強度試驗(包括：固結快剪、三軸CU)、壓縮試驗以及滲透試驗研究，得出合適的海砂海泥摻合比。

3.2.2 不同摻合比的強度特性

通過固結快剪、三軸CU試驗得出不同摻合比的混合料試驗的強度指標，結果如表3所示。

表3 不同配比試樣的強度指標

從表3結果可以看出：兩種試驗得出的摩擦角均隨著海砂配比的增加而增加，而黏聚力指標呈現先增大后減小的趨勢，但不同試驗黏聚力達到峰值的海砂海泥配比及峰值大小各不相同。其中三軸CU試驗中，海砂海泥摻合比為1.5∶1.0時，黏聚力達到峰值，大小為15.05 kPa；固結快剪試驗中，配比為1.0∶1.5時，峰值大小為29.3 kPa。

3.2.3 不同摻合比的壓縮、滲透特性

海堤建設過程中，沉降變形包括了地基以及堤身自身沉降變形，堤身填筑材料抵抗壓縮變形的能力作為堤身變形主要原因應進行著重考慮。圖3為混合料壓縮系數隨摻合比的變化曲線圖，從中可以看出：隨著海泥的比重增加，壓縮系數逐漸增大。其中以摻合比為1∶1混合料的壓縮系數為分界點，當海砂摻量小于等于50%時，壓縮系數均小于0.5 MPa-1，為中壓縮性土，且壓縮系數大小隨海泥含量增加基本呈成線性增長。當海泥比重超過50%時，壓縮系數明顯提高，但是隨著海泥繼續增加，壓縮系數幾乎不變。

圖3 壓縮系數與海砂海泥摻合比的關系

圖4為混合料滲透系數隨摻合比的變化曲線圖，從圖中可以看出：海砂海泥質量比大于1.5∶1.0時，滲透系數在10-4cm/s量級范圍,小于或等于1.5∶1.0時，滲透系數在10-5cm/s量級范圍，或小于10-5cm/s。

圖4 滲透系數與海砂海泥摻合比的關系

鑒于以上分析，綜合考慮不同實驗的強度指標、壓縮性和滲透性，認為海砂淤泥的摻合比為1.5∶1.0較適宜。

3.2.4 對比黏性(山)土、淤泥攪拌水泥土固結試驗

通過標準固結試驗等方法系統地研究淤泥、黏性(山)土、海砂淤泥混合料(推薦配比1.5∶1.0)、攪拌水泥土壓縮固結特性，通過對比分析得出材料固結變形的相關規律，進而從固結角度進一步探討淤泥、黏性(山)土、海砂淤泥混合料、攪拌水泥土作為海堤堤身填料的可行性，通過試驗結果分析見表4。

表4 不同材料的壓縮系數及固結系數

注：固結系數為100 kPa下采用時間對數法的分析成果。

從表4可以看出，壓縮系數方面：淤泥的壓縮系數屬于高壓縮性土，必須進行處理才能上堤填筑，天然狀態下黏性(山)土與摻量20%的水泥攪拌(樁)土壓縮系數接近低壓縮性土、海砂∶淤泥=1.5∶1.0的海砂-淤泥混合料為中等壓縮性土，飽和狀態下黏性(山)土、海砂-淤泥混合料與摻量20%的水泥攪拌(樁)土基本為中壓縮性土。固結系數方面：海砂∶淤泥=1.5∶1.0的海砂-淤泥混合料在100 kPa固結壓力下達到50%的固結度的固結系數為0.013，飽和狀態下其固結系數為0.016，固結方面已基本與摻量為20%水泥摻量攪拌水泥土相似，比黏性(山)土的固結性態優。這是由于在固結過程中，海砂∶淤泥=1.5∶1.0這種材料中海砂的比例較大，具有較好的透水性能，開始時，土中應力全部由孔隙水承擔，隨著孔隙水的擠出，孔隙水壓力較快轉變為由土骨架承受的有效應力。

3.2.5 室內試驗推薦海砂-淤泥混合料摻合比

綜上分析可以看出，當淤泥混合料的海砂摻量加大時，強度參數及壓縮性能、固結性能得到很大的提升，而淤泥混合料的滲透系數逐漸向海砂靠近，其中較小的淤泥顆粒極易流失，不予考慮；相反，淤泥含量較高時，雖然此時的滲透系數低，但考慮到強度參數及壓縮特性，也不予考慮。參考淤泥混合料強度參數隨摻合比變化規律以及對比固結試驗結果，可以看出混合料中海砂-淤泥摻合比為1.5∶1.0時較為合適，以此作為海砂-淤泥混合料推薦摻合比。

4 主填料選定

本工程堤身填土主填料方量約為53 萬m3，可選擇的主填料為黏性(山)土、充砂管袋、海砂-淤泥混合料及攪拌水泥土料等，各方案斷面結構類似前圖2標準斷面，不同的僅是堤身回填材料不同。

根據以上四種填土料來源及施工工藝等，技術經濟比選如下：

(1) 費用方面：施工直接費方面上，價格最低的是黏性(山)土回填料，為92.19 元/m3，其次為海砂-淤泥混合料，為93.60 元/m3，再次為充砂管袋，為132.37 元/m3，最高為攪拌水泥土料，為192.63 元/m3。但海砂-淤泥混合料可以消化堤后滯洪區河道開挖的大量外運填埋淤泥，即考慮淤泥的工程資源化利用，則每方海砂-淤泥混合料可以節約淤泥外運填埋費用20元，由此采用海砂-淤泥混合料綜合費用可以降低至73.6 元/m3，綜合費用最低，從福州某防潮工程海堤項目約53 萬m3主填料來看，采用海砂-淤泥混合料可以比黏性(山)土回填料等其他填料節約工程費用985萬元以上。

(2) 工程安全性方面：堤防工程對土料的抗滲性、固結性、整體性以及強度要求較高。從室內實驗看來，在壓縮特性與固結特性方面，水泥摻量為20%的攪拌水泥土與海砂淤泥摻合比為1.5∶1.0的海砂-淤泥混合料相近，壓縮系數分別為0.21 MPa-1(飽和0.50 MPa-1)與0.36 MPa-1(飽和0.50 MPa-1)、100 kPa固結系數分別為0.013與0.015，均為中壓縮性土。黏性(山)土的壓縮系數為0.16 MPa-1(飽和0.52 MPa-1)、100 kPa固結系數為0.42，也為中壓縮性土，但飽和條件下壓縮性能略遜于攪拌水泥土與海砂-淤泥混合料且固結系數較大。所以，攪拌水泥土料在強度、抗滲透性、整體性以及固結性態均最優，其次為海砂-淤泥混合料，再次為黏性(山)土回填料。充砂管帶由于其充砂管袋袋體為化纖材料，存在生產廠家良莠不齊、在海邊日照高鹽風浪等條件可能存在長期運行袋體破裂導致抗滲透性以及整體性缺陷，存在破損不易修補等弱點，在工程安全性上存在較大隱患。

(3) 施工便利性方面：充砂管袋水下水上均可以施工，管袋內砂土主要采用排水自密實方式，施工最為便利，其余三種材料在水下高飽和條件下碾壓壓實度實現較為困難，或需趕潮水施工，施工便利性較充砂管袋弱。

(4) 工期方面：影響工期的主要因素是施工時環境對料體的影響、料體的生產能力、料體施工的壓實條件、材料的固結時間等，在相同的風浪條件下充砂管袋施工工期最短、攪拌水泥土料及海砂-淤泥混合料次之、黏性(山)土回填料工期最長。

(5) 環境友好性：由于海砂-淤泥混合料與攪拌水泥土料均消化了原需要使用特種設施設備外運填埋的堤后滯洪區河道開挖的巨量淤泥，實現了淤泥的資源化利用，而海砂-淤泥混合料采用的均是天然材料，與攪拌水泥土需添加水泥進行堿化反應相比，環境友好性比攪拌水泥土更勝一籌。充砂管帶充填料雖是海砂，但充砂管袋袋體為化纖材料環境友好性也相對較差。在建設生態文明的條件下，黏性(山)土現在作為填筑用料的開采也日益困難，環境友好性也不足。所以，從環境友好性方面看，海砂-淤泥混合料最優。

綜合以上四種材料方案比選，海砂-淤泥混合料由于施工直接費較省、考慮淤泥資源化利用后綜合費用最省、工程安全性較高、環境友好性最優、施工工期較短推薦為該防潮海堤工程主填料的推薦填料。

5 穩定分析計算

5.1 斷面分區滲流及力學特性

根據前典型設計斷面及試驗結果，各分區的滲流及力學特性見表5。

表5 海堤工程地質主要設計參數

5.2 抗滑穩定計算與結果

根據《海堤工程設計規范》[16](SL 435—2008)，海堤邊坡抗滑穩定計算分為正常和非常兩種運行情況。

(1) 正常運用水位情況。外海側邊坡穩定：臨海側設計高潮潮水位驟降(5 h)至灘涂面高程，內港為澇水位

內港側邊坡穩定：臨海側設計高潮潮水位，內港為低水位(或無水)。

(2) 非常運用施工期情況。計算按偏安全以設計高潮水位下計算背水側、外海無水計算臨水側邊坡穩定。

防潮堤為2級海堤，抗滑安全系數正常運用(穩滲期以及水位降落期)條件下為1.25，非常運用(施工期)下為1.15[16]。正常運用情況海堤整體抗滑穩定計算采用有效固結應力法；非常運用情況的海堤整體抗滑穩定計算采用總應力法，采用《水工結構有限元分析系統AutoBANK 7.0》程序計算進行抗滑穩定計算。

控制計算工況、水位組合以及計算結果情況見表6。

表6 抗滑穩定計算結果表

根據以上計算結果，采用海砂-淤泥混合料作為筑堤主填料的設計斷面，其抗滑穩定滿足規范要求。

6 結 論

本文結合福州某防潮海堤工程實踐，基于海砂-海泥混合料配比試驗，分析了海砂-海泥混合料作為海堤填筑工程主填料的可行性及優越性，并采用AutoBANK有限元軟件對海堤的整體穩定性進行了分析研究，小結如下：

(1) 通過快剪、固結快剪及三軸CU等試驗分析不同摻合比下海砂-淤泥混合料強度參數可知：隨著海砂摻量的增加，快剪試驗中，黏聚力逐漸變大，固結快剪及三軸CU試驗中，混合料黏聚力有一個先增加后減小的趨勢，三軸CU中在摻合比1.5∶1.0時，黏聚力達到最大，隨后減小；內摩擦角則呈一直增加的趨勢。分析強度、滲透、壓縮及固結性能后，可以看出混合料中海砂淤泥摻合比為1.5∶1.0時較為合適，該配比下海砂-淤泥混合料為中壓縮性土、抗滲性能較好，也具備較好的抗剪強度參數c、φ值，可作為海砂-淤泥混合填料推薦摻合比。

(2) 計算結果表明正常運用以及非常運用條件下，海堤整體抗滑穩定均能滿足規范要求，海砂-淤泥混合料在海堤填筑工程成功運用有保證。

(3) 海砂-淤泥混合料因其施工直接費較省、考慮淤泥資源化利用后綜合費用最省、工程安全性較高、環境友好性最優、施工工期較短推薦為該海堤工程主填料的推薦填料，優化了工程設計實踐。