上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司,上海,200125
摘要:崇明生态岛环岛防汛提标二期工程按照200年一遇高潮位+12级风防御标准对现状海塘进行达标加固,加固方案采用在原有结构基础上加高培厚,培厚的堤身会对地基产生了较大的附加荷载,因此需要对附加荷载产生的地基沉降进行分析,通过计算预测沉降量,设计时预留沉降超高,从而保证在沉降完成时,堤顶高程能够满足设计要求。本文将理论计算与实际观测沉降进行对比,验证理论计算的可靠性。
关键词:堤防;海塘;沉降
1工程背景
环岛景观道全长约120公里,东起东团公路、西至新北沿公路,为贯通崇明南部地区东西方向的一条景观公路。公路走向基本沿现状海塘岸线,不仅是崇明生态绿道系统重要组成部分,同时也集生态、防汛、景观和旅游等功能于一体,是一条复合型公路。
现状崇明海塘的防御标准主要为100年一遇高潮位+同频风速,海塘区域整体防御能力偏低,不能适应新形势下城乡一体化整体防御要求。根据上海市海塘规划、上海市崇明区总体规划暨土地利用总体规划(2017-2035),确定了以“200年一遇高潮位+12级风”作为崇明岛南沿主海塘的防御标准,需启动沿线海塘达标工程符合新一轮海塘规划要求。
崇明环岛防汛提标二期工程西起老滧港,东至护鲟路,工程范围内一线海塘连续段总长度约57.15km,其中大东华润段、上海船厂段海塘已满足200年一遇防洪标准,提标改造海塘同时利用堤顶道路线位同步建设景观绿道。
本次海塘达标工程是在原有结构基础上加高加固,培厚的堤身会对地基产生了较大的附加荷载,因此需要对附加荷载产生的地基沉降进行分析计算。
2现状海塘情况
根据《上海市海塘调查资料(2018年)》(崇明区崇明岛分册),现状海塘建设标准均为“100年一遇潮位+11级风”,未达到200年一遇设计潮位及12级风下限标准。
现状海塘测量断面,现状大堤堤顶道路宽约6~7.5m,根据道路专业对环岛景观道的宽度要求,环岛景观道道路宽度需按9.0m控制,因此需对现状海塘堤顶道路进行拓宽。
结合现场实际情况,现状海塘内侧为水杉、夹竹桃等植被,现状海塘外侧滩面绿化较少,海塘向外侧培厚的条件较好,因此本工程范围内海塘均向外海侧培厚。
现状海塘为单坡结构,现状防浪墙有直立式砼结构等,防浪墙顶高程为7.67~8.27m,堤身外侧为草皮护坡、砌石护坡、螺母块体护坡、杉树林等,坡比为1:3、1:2,外侧坡脚顶高程不等。现状堤顶宽度约为6~7.5m,其中堤顶大部分设有堤顶道路,路面结构为砼路面,靠内坡侧为土路肩。海塘内坡坡比为1:3、1:2,坡脚顶高程不等。现状内外坡均种有大量水杉树、草皮等绿化植被。
图1现状海塘典型断面图
3海塘达标加固方案
达标方案为保留内坡及土路肩上花草、树木,将现状防浪墙、护坡结构、镇脚等进行拆除,堤顶宽度由现状约3.70m拓宽至9.00m(含土路肩宽度0.50m),并按200年一遇防洪(潮)标准向外海侧培厚新建单坡式斜坡堤。
拆除现状外侧堤身后进行培厚加高至设计标高并新建防浪墙,型式为“鹰嘴式”结构;海塘外坡采用C35钢筋砼栅栏板宽9.20m,厚0.30m,坡比取1:3.0,栅栏板下方预留0.10m间隙,其下方结构自上而下依次是:灌砌块石(0.30m厚)、袋装碎石(0.20m厚)以及机织土工布一层(400g/m2),下方采用充泥管袋进行堤身填筑。
外侧护坡底部新建C30素混凝土镇脚,镇脚尺寸为1.0×1.0m。
具体海塘结构断面如下图所示。
图2海塘达标加固典型断面图
4沉降理论计算分析
4.1计算方法
按照《堤防工程设计规范》第9.3.3条,堤身和地基的最终沉降量,按下式计算。同时按照《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》中推荐的方法,来对任意时刻地基的沉降量进行计算,据此可以得到各分级加载情况的沉降量,同时还可以计算出竣工后基准期的残余沉降量。
式中:
S∞——最终沉降量(m);
n——压缩层范围的土体层数;
e1i——第i层土体在平均自重应力作用下的孔隙比;
e2i——第i层土体在平均自重应力和平均附加应力作用下的孔隙比;
hi——第i层土体的厚度(m);
m——修正系数,可采用1.0,软土地基可采用1.3~1.6。
4.2工程地质
拟建场地主要为现状大堤,堤外主要滩涂岸线,分布有芦苇荡、滩涂林等。海塘大堤外为长江,临近入海口,江水位受潮汐、泾流影响,为感潮河段。长江口是一个陆海双相,潮流强,径流大,且挟沙亦多的河口,具有潮汐性质,为非正规浅海半日潮,高潮、低潮会在一个太阴日内出现两次,平均潮差超过 2m,最大潮差超过 4m,时空变化十分明显。
拟建场地属河口、砂嘴、砂岛地貌类型。场地沿线地势稍有起伏,海塘堤岸场地高程一般为 3.8m~8.5m,堤内高程一般为 3.8m~5.7m,现有堤顶道路高程约为 6.0m~7.0m,堤外高程较低,一般为 2.0m~4.0m。
根据工程地质性质,各主要工程地质层又划分为若干个地质亚层,由上至下依次发育的土层为:①0滩面淤泥、①1-1杂填土、①1-2素填土、①3-1吹填土(粘性土)、①3-2吹填土(粉性土)、②2-2灰黄~灰色粘质粉土夹粉质粘土、②3-2灰色粉砂、②3-2t灰色砂质粉土与淤泥质粉质粘土互层、⑤1-1灰色粘土、⑤1-2灰色粉质粘土、⑤2灰色粉砂夹粉质粘土、⑦2灰色粉砂。上述土层②~⑤层为全新世Q4沉积物,⑦层土为上更新世Q3沉积物。
场地浅部分布有厚度较大的粉性土土层(②3)(大部分地段厚度达5.0m~13m),对控制大堤工后沉降有利。
拟建场地局部区段分布④灰色淤泥质粘土,堤岸外滩涂一般分布有淤泥①0。上述土层为软土土层,呈现流塑态,其特性有渗透性小、强度低、压缩性高等,是大堤长期沉降的主要土层。
4.3计算结果
本次选取典型断面进行计算,计算结果如下。
表1堤身沉降理论计算结果
完工后1个月 | 完工后2个月 | 完工后3个月 | 完工后4个月 | |||||||
当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | 当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | 当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | 当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | |||
6.0 | 6.0 | 6.0 | 12.0 | 6.0 | 18.0 | 5.0 | 23.0 | |||
完工后5个月 | 完工后6个月 | …… | 完工后24个月 | |||||||
当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | 当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | 当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | |||||
4.0 | 27.0 | 4.0 | 31.0 | 2.0 | 82.0 | |||||
5沉降观测
本工程堤身完工后对其沉降进行了持续观测,观测数据如下。
表2堤身沉降观测数据表
监测点 | 完工后1个月 | 完工后2个月 | 完工后3个月 | |||||
当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | 当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | 当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | |||
1 | 5.2 | 5.2 | 2.8 | 8.0 | 2.7 | 10.7 | ||
2 | 5.1 | 5.1 | 4.1 | 9.2 | 2.1 | 11.3 | ||
3 | 5.5 | 5.5 | 3.4 | 8.9 | 1.8 | 10.7 | ||
4 | 6.0 | 6.0 | 3.8 | 9.8 | 1.7 | 11.5 | ||
5 | 4.5 | 4.5 | 3.3 | 7.8 | 2.2 | 11.0 | ||
监测点 | 完工后4个月 | 完工后5个月 | 完工后6个月 | |||||
当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | 当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | 当月沉降量/mm | 累计沉降量/mm | |||
1 | 1.9 | 12.6 | 1.1 | 13.7 | 0.6 | 14.3 | ||
2 | 1.4 | 12.7 | 0.7 | 13.4 | 0.3 | 13.7 | ||
3 | 1.1 | 11.8 | 0.5 | 12.3 | 0.4 | 12.7 | ||
4 | 1.5 | 13.0 | 0.9 | 13.9 | 0.4 | 14.3 | ||
5 | 1.9 | 12.9 | 1.1 | 14.0 | 0.5 | 14.5 | ||
6理论计算与实测对比分析
表3堤身沉降理论计算值与观测数据(平均值)对比表
项目 | 累计沉降量/mm | 差值/mm | ||
观测数据 | 理论计算值 | |||
完工后1个月 | 5.3 | 6 | 0.7 | |
完工后2个月 | 8.7 | 12 | 3.3 | |
完工后3个月 | 11 | 18 | 7 | |
完工后4个月 | 12.6 | 23 | 10.4 | |
完工后5个月 | 13.5 | 27 | 13.5 | |
完工后6个月 | 13.9 | 31 | 17.1 | |
由于观测断面完工时间尚短,实测数据尚未能涵盖整个基准期,但是从已知数据及其趋势可预测,基准期内堤身实际沉降量在理论计算值预测范围内,理论计算值较实际沉降值要大。
7结论
根据国内经验,堤基多采用压缩性较小的土体,例如黏土、砂壤土、壤土等,在堤身荷载加持下沉降量也不会很大。如果堤身质量施工后可以满足设计要求,在后期阶段因固结产生的沉降量同样也不会很大。但是如果堤身采用软土填筑,或者堤身高度很高,施工质量达不到设计要求,施工工期短暂,在竣工以后堤防仍然会继续沉降,且沉降量会很大。因此,沉降量在设计时就需要进行计算,并根据已有工程的经验,预留必要的超高,从而确保在沉降完成时,堤顶高程能够满足设计要求。
本工程在实际施工时要求堤顶预留了约10cm的沉降超高,根据理论计算和完工后的观测结果证明是合适的。