上海地区海堤整体稳定安全性分析

2017-12-15蔡小芳

水利技术监督 2017年5期

蔡小芳

上海地区海堤整体稳定安全性分析

蔡小芳

（上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201707）

运用可靠度理论，建立海堤整体稳定性功能函数，对上海地区海堤整体稳定安全性进行研究。通过选取典型海堤结构，计算得出安全系数、可靠度指标和失效概率，认为上海地区海堤整体稳定性可靠度偏低。并对海堤堤脚滩地高程的变化对稳定性的影响进行了分析，指出加强护滩以及采取先促淤再构筑海堤的方式对提高海堤结构安全性具有显著的效果。

海堤；整体稳定；可靠度指标；失效概率

上海地区受经济发展的需要，沿长江口和杭州湾海域岸线对滩涂进行围海造地，为浦东国际机场、上海国际航运中心、上海化学工业区、临港新城等产业基地的发展提供了宝贵土地资源。

由于这些围海造地工程位于河口浅水区，受到来自流、浪、潮的共同作用。特别在台风暴潮期间，由于潮位、波浪与潮流等海洋静动力作用的增强，造成作用于海堤结构上的荷载极大增强，同时风暴潮强大的海洋动力还会对海堤基底产生较大的冲刷力和海岸蚀退，从而易造成海洋工程结构的整体性失稳破坏。当遭遇超标准风暴潮的作用，如果风暴潮的潮位高，波浪大，海水或波浪越过海堤堤顶，将会造成海堤防护工程的破坏，以及对其保护的区域范围造成极大的损失。历年来在台风暴潮期间，时有发生海堤前保滩促淤坝严重刷深和海堤护面结构较大程度损坏的现象。随着深水中海堤的建设，堤前高滩没有了，带来的不仅是河势和生态上的问题，直接面临的是防台保安问题［1］。随着可靠度理论的广泛应用和不确定性理论研究的逐渐深入，将工程结构的设计、施工以及使用过程中种种影响结构安全、适用、耐久的不确定性因素，逐步引入不确定性分析方法，能够更全面了解结构真实状态的反映［2］。因此本文应用结构可靠度理论对上海地区海堤整体稳定安全性进行研究。

1 海堤整体稳定可靠度分析理论

对于上海地区海堤整体稳定安全性可采用Bishop法进行计算，考虑土的力学参数的变异性，应用可靠度理论分析海堤失稳的概率。

海堤整体稳定可靠性分析的功能函数一般选用抗滑力矩MR与滑动力矩MS之差或抗滑力矩与滑动力矩之比的对数，由于抗滑力矩与滑动力矩之比即为安全系数，因此海堤整体稳定的功能函数可表示为［3-11］。

其可靠指标可按式（2）进行计算：

式中，δR=σMR/μMR、δS=σMS/μMS分别为 MR和 MS的变异系数；μMR、σMR和 μMS、分 σMS别为抗滑力矩MR和滑动力矩MS的均值和方差。

由于海堤整体稳定的功能函数 g（X） =g（x1，x2，…，xn）是基本随机变量 xi（i=1，2，…，n）的复杂函数，在土性指标的概率分布难以确定的条件下，为便于计算，采用一次二阶矩法，把功能函数在随机变量均值μxi（xi的均值点）处进行Taylor级数展开，并保留一次项作为近似值，即：

图1 浦东国际机场海堤及土层剖面图

图2 南汇东滩四期海堤及土层剖面图

功能函数相应的均值和方差为：

海堤整体稳定的最小安全系数和最小可靠度指标采用最优化方法进行搜索。选用模式搜索法中的单形法对最小安全系数和最小可靠度指标进行搜索。基本思想是根据一定的模式，比较不同自变量的目标函数，确定最优的搜索方向，最终找到最小值［4-5］。

3 海堤整体稳定安全性分析

根据上海地区海堤的地理分布位置，可大致划分为长江口南岸、杭州湾北侧及崇明三岛三个区域，选取典型海堤结构进行整体稳定安全性分析，其中长江口南岸选取浦东国际机场围海海堤，杭州湾北侧选取南汇东滩围海海堤，崇明三岛选取崇明岛南门港海堤。各典型断面及相关计算参数见图1～图3和表1～表3。

表1 浦东国际机场海堤各土层计算参数表

表2 南汇东滩四期海堤各土层计算参数表

表3 崇明南门港海堤各土层计算参数表

图3 崇明南门港海堤加固断面图

由上海地区海堤的特点可知，一般海堤实施后对围内会进行吹填抬高地面高程，因此海堤的整体稳定性主要表现在正坡一侧。本文研究主要对海堤的正坡进行分析。

一般海堤的整体稳定可靠性的主要影响因素参数可分为四大类。

第一类为几何尺寸，主要为海堤的断面尺寸，其中海堤断面几何尺寸一般都能事先确定，施工完成后变异性很小，可视为常量。

第二类为土性指标，包括凝聚力、摩擦角和容重等。日本学者松尾稔、国内学者陈立宏等曾对各主要土性参数的统计特征进行过详细的研究，其研究成果认为大部分土性参数符合正态分布［6］。

第三类为荷载，包括海堤结构自身重量和外荷载。参照《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（GB50199-94）［7］，堤身结构按承载能力极限状态设计时自重既是作用又是抗力，考虑到土重度的变异系数很小，可靠度指标受土重度的影响较抗剪指标相比要小得多，为简化计算，将土重度也作为定值处理。外荷载的分布可采用极值统计法和平稳二项随机过程概率模型描述。

第四类为边界条件，包括外海潮位、地下水、滩地高程等。其中外海潮位和地下水通过不同的水位组合考虑对海堤的影响。滩地高程的变化比较复杂，与岸滩的河势变化、风浪冲刷等各种自然环境和自然灾害相关。一般计算中考虑各种不利水位组合以及滩地可能的冲刷情况作为特定的参数按常量的方式进行确定。

以上各典型断面整体稳定安全系数、可靠度指标及失效概率的计算结果见表4。

表4 各典型断面整体稳定安全系数、可靠度指标及失效概率

从表4各典型断面整体稳定安全性分析计算成果显示，上海地区现状海堤均具有相对较高的安全系数。均满足《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）［8］对1级堤防抗滑稳定安全系数为 1.3的要求。

参照《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（GB50199-94）［9］对目标可靠度指标的规定，上海市海堤作为重要的建筑物，安全级别为一级，根据破坏类型程度，应为第二类破坏，即指突发性破坏，破坏前无明显征兆，结构一旦发生事故难于补救或修复。相应的可靠度指标应不低于4.2。从表4计算可推知，上海地区大部分海堤抗滑稳定可靠度指标偏低，相应海堤结构失效概率偏大。海堤工程安全可靠度偏低的原因主要是由于海堤结构多均建在地基土沉积时间较短的海岸滩涂上，浅层地基土土性指标离散性较大，这也说明了土体物理力学指标对整体稳定安全的影响较大。根据有关文献研究［3-13］，土体抗剪指标的均值对土坡稳定的影响最为显著，其次为相关土性指标的变异系数，两者对安全系数和可靠度指标计算结果影响很大。该研究成果说明对于软土地基提高土体的强度，对提高海堤稳定性安全度效果最明显，而降低土性指标的离散性和变异系数，对提高海堤整体稳定可靠度是非常有效的。因此提高堤身填筑的密实度，采用逐层填高堤身的方式，通过堆载预压对软土地基进行加固是提高海堤整体稳定安全性和可靠性较好的措施。

考虑到上海地区沿海海堤堤脚前沿滩地在水流、风浪、河势演变和各种海洋灾害的作用下，其变化具有强烈的不确定和复杂性，因此在了解海堤整体稳定安全性的基础上，针对不同的滩地高程对海堤稳定安全的可靠性进行分析。以南汇东滩四期海堤为典型实例，现状海堤由于是在先淤坝再兴建海堤堤身圈围的方式下形成，海堤前沿滩地高程相对较高，根据计算，整体稳定安全性也较高，通过逐步降低滩地高程，分析滩地的冲刷对围堤稳定性的影响。计算结果见表5和图4。

表5 堤前滩地高程变化对可靠度指标的影响

图4 海堤整体稳定安全系数和可靠度指标随堤前滩地高程变化敏感性分析图

由表5和图4的计算成果可知，在土性参数指标具有相同标准的情况下，当海堤堤前滩地降低或因某种原因被冲刷，堤坡的整体稳定安全系数和相应的可靠度指标都成较大幅度的降低，特别是滩地冲刷至一定高程，可靠度指标的衰减加剧。因此采取堤脚前保滩以及采取先促淤将滩前高程抬高再进行圈围的方式都是提高海堤结构安全可靠性的有效措施。