第11卷第10期中国水运V ol.11
N o.10
2011年10月Chi na W at er Trans port O ct ober 2011
收稿日期：作者简介：曾
甄（），男，福建南平人，浙江省水利水电勘测设计院工程师，硕士，从事水工结构设计。
曾
甄，顾孜昌
（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310002）
摘
要：针对海堤结构失稳可靠性分析，以经典滑弧法为基础，研究粘聚力C 、内摩擦角φ和淤泥厚度等参数的波
动对深厚淤泥土上海堤安全稳定及失稳风险率的影响，以供类似工程参考。关键词：淤泥土；海堤；安全稳定；可靠度中图分类号：U 656文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）10-0236-03 一、前言
海堤的结构失稳可靠性分析可以考虑各种随机参数的波动对结构可靠程度的影响，包括堤身的边坡整体稳定和局部稳定，目前的分析一般只是考虑到海堤的边坡整体稳定；而海堤的局部稳定分析，由于对局部失稳的机理还不甚明确，所以对涉及局部稳定可靠性分析的内容暂不深入。
可靠性分析方法自20世纪70年代中后期由加拿大能源与矿业中心和美国亚利桑那大学首先用于矿山边坡的稳定性评价，在最近十几年得到了更广泛的重视，并迅速发展。其原因：（1）由于边坡系统及其地质力学环境的复杂性，使得用传统的定值方法准确刻画系统动力特征的难度增加，甚至完全失效；（2）基于对传统的最危险滑面“安全系数”评价方法的反思，目前求取安全系数的各种方法所反映的物理力学背景不同，由于这些方法对系统不确定性和参数变异性没有考虑，或简单考虑，在实际边坡工程中，可能会出现安全系数大于Km in 的失稳，而安全系数小于Km in 的却长期稳定。
因此，针对我国沿海淤泥质海岸地区海堤工程整体稳定可靠度分析开展深入研究具有巨大的现实意义。
二、海相沉积深厚淤泥土上海堤工程整体稳定可靠度分析的建模刊头语
海堤的整体稳定可靠度计算方法的分析模型，是在岩土工程中的简单土坡的滑动分析基础上发展而来的。按照目前的研究成果，单就边坡稳定可靠度的计算，在理论上的分析方法包括直接积分法（使用MC 法或离散的差分法等）、假设滑弧的经典法（如瑞典条分法、简化毕肖普法等）。直接积分法由
于边坡滑动的显函数较复杂，积分困难，因此一般分析中采用经典滑弧法。
海堤边坡稳定的广义极限状态，定义为边坡维持稳定的力（或力矩）与产生整体滑动或局部塌滑的外荷载效应达到平衡的状态。此时，维持稳定的力矩设为广义抗力R ，产生滑动或塌滑的广义荷载效应设为S 。
此次分析以经典滑弧法为基础。将滑动底面上的总抗滑反力R 与总下滑力S 的差作为功能函数，即可得功能函数表达式为：
Z=R-S
=[(cos tan
赵尔丰]s i n i i i
i i i
i
R W C l TR
R W αα
++∑∑当S>R ，则发生结构失稳破坏；当S<R ，边坡稳定可靠。假设基本变量R 和S 分布为正态或者可以近似为正态分布，则可靠性函数Z 的值也满足正态分布，其期望值及标准差可表示为：
Z R S
μμμ=22
Z R
S
σσσ
=+可得到海堤失事概率的表达式为
(0)()()
g
N
欧姆表P g f z dg β∞
<=
=Φ∫
其中：β为可靠度指标，g g μβσ
=
；
()g f z 是Z 的概率密度函数，()N βΦ为标准正态分布函
数。
图1失效概率及可靠指标
深厚淤泥上海堤稳定中，最关键的参数即淤泥质软土地基的物理力学指标：粘聚力C 与内摩擦角Ф。按照经典理论分析，
采用J C 法计算综合变量广义抗力与荷载效应时，随机变量
包括C 、Ф及产生的N 、T ，广义抗力R 的均值和标准差分别为：R (tan )N
μγμμ=2
R 2
[
][tan ]
cos N N γμσσγμσμ
=+2海堤结构失稳风险度的分析理论，在具体计算时是比较复杂的。由于现有海堤的实际情况可能与模型不一致，所以整体失稳风险度的计算可用比较成熟的计算方法是MC 法或J C 法。此处利用J C 法计算。
割礼龙凤斗三、典型案例分析
1．案例选择
2011-08-011980-
第10期曾甄等：海相沉积深厚淤泥土上海堤工程整体稳定可靠度分析237
以浙东沿海典型海堤工程为典型案例，分别选择爆炸挤
淤和排水插板两种常见基础处理方法，开展海堤工程整体稳
定可靠度分析研究。
试验堤一淤泥层自-7.90m到-25.4m高程，厚度为
17.5m。物理力学指标：粘聚力C=7k pa，内摩擦角Ф=4°，
断面如图2；试验堤二淤泥厚度为27.8m。物理力学指标：
粘聚力C=6k pa，内摩擦角Ф=4°，断面如图3。
图2爆炸挤淤试验堤标准断面（试验堤一）
图3排水插板试验堤标准断面（试验堤二）
根据《浙江省海塘规定》下册附录四，淤泥土的粘聚力
C值范围为3～10k pa，内摩擦角的范围3～6°。因此，此
次计算考虑Ф值固定，C值变化及C值固定，Ф值变化两种
情况下对抗滑稳定安全系数的影响。稳定计算采用“理正计
算软件”，计算结果如下（表1及表2，表中C值单位：kPa）。
2．粘聚力C的影响分析
表1粘聚力对整体滑动稳定风险率的影响（试验堤一）
项目C=3C=5C=7C=9
安全系数K 1.122 1.137 1.150 1.163
可靠指标β0.8130.9110.985 1.019
风险失稳率（%）20.818.116.2
15.4
图粘聚力～安全系数～失稳风险率曲线（试验堤一）
表2粘聚力对整体滑动稳定风险率的影响（试验堤二）项目C=4C=6C=8C=10安全系数K 1.064 1.149 1.233 1.315
可靠指标β0.4400.980 1.47 1.91风险失稳率（%）33.016.47.1
2.8
图5粘聚力～安全系数～失稳风险率曲线（试验堤二）计算考虑淤泥粘聚力C值对稳定及失稳风险的影响，从图4及图5可以看出安全系数随粘聚力的增加呈同步线性增长的趋势，线性回归计算分析后发现相关系数均大于0.95，也验证了线性变化的正确性。失效风险率随粘聚力的增加呈非线性减小的趋势；随着C值增加，变化速度放缓，趋于稳定值。
通过对比可发现，相同Ф值条件下，试验堤一的安全系数及失稳风险的波动范围均小于试验堤二，这一现象主要是由于试验堤二的淤泥厚度较深造成的。
同时可以发现，C值每增加1k Pa，海堤稳定系数可提高安全系数0.5%左右，对稳定影响效果不明显，当C=3k Pa 变化到9kPa时，K值变化了3.7%（试验堤一）和23.5%（试验堤二），但对失稳风险影响较大，失稳风险度变化了26.0%（试验堤一）和91.5%（试验堤二）。
3．内摩擦角Ф的影响分析
表3内摩擦角对整体滑动稳定风险率的影响（试验堤一）项目Ф=2°Ф=3°Ф=4°Ф=5°Ф=6°安全系数K 1.111 1.128 1.150 1.160 1.177
可靠指标β0.7450.8490.985 1.046 1.144风险失稳率（%）22.819.816.214.8
敦煌拳12.7
图6内摩擦角～安全系数～失稳风险率曲线（试验堤一）
4
238中国水运第11卷表4内摩擦角对整体滑动稳定风险率的影响（试验堤二）
项目Ф=2°Ф=3°Ф=4°Ф=5°Ф=6°
安全系数K0.894 1.067 1.149 1.271 1.394
可靠指标β-0.7930.4590.980 1.67 2.29
风险失稳率（%）78.632.316.4 4.7
1.1
图7内摩擦角～安全系数～失稳风险率曲线（试验堤二）通过图表可以看出，随着内摩擦角的增加，抗滑稳定系数随着Ф值的增大而增大，也近似与线性增长。Ф值的增大对海堤稳定性的提高影响较明显，这也证明了通过改善淤泥的性质提高其Ф值以增大稳定性工程实践性。失效风险率随内摩擦角的增加呈非线性减小的趋势；随着Ф值增加，变化幅度缩窄，最后趋于零。
检察官法全文4．淤泥厚度分析
考虑到实际工程中地质钻孔的误差，以及人为对淤泥层厚度的判断的影响，淤泥厚度对海堤稳定及失稳风险率的影响也显得非常重要。稳定计算采用“理正计算软件”，计算结果如下表（表5，表中C值单位：k Pa）。
表5淤泥深度对整体滑动稳定风险率的影响（试验堤二）项目C=2C=4C=6C=8C=10
安全系数K 1.152 1.226 1.299 1.373 1.456
可靠指标β0.998 1.427 1.825 2.195 2.583
淤泥层厚10m
风险失稳率（%）15.937.69 3.40 1.410.49
安全系数K 1.094 1.170 1.246 1.322 1.398
可靠指标β0.635 1.105 1.541 1.944 2.317
淤泥层厚15m
风险失稳率（%）26.2713.46 6.18 2.58 1.03
安全系数K 1.080 1.158 1.235 1.312 1.389
可靠指标β0.547 1.031 1.479 1.892 2.275
淤泥层厚20m
风险失稳率（%）29.2415.10 6.95 2.93
1.15图8淤泥深度～安全系数～失稳风险率曲线（试验堤二）通过图表可以看出，抗滑稳定安全系数随着C值的增大而线性增大，但失稳风险率却呈曲线型快速递减。从C=2kp a 变化为C=10kp a后，安全系数提高幅度仅27%左右，整体滑动风险失稳率却降低了95%以上。C值越小，其变化幅度越大；随着C值越大，递减速度有所放缓。
同时发现，淤泥厚度为15m和20m的曲线之间距离较小，两者与淤泥厚度为10m的曲线之间有一定间距。由此可推测，深厚淤泥的厚度对滑动的影响有一个界限值，即滑弧最低点对应的淤泥的厚度是一个关键指标。
四、结论与建议
海堤可靠性分析，与土的抗剪强度直接相关；而土的粘聚力C和土的内摩擦角φ，是确定土体抗剪强度的关键指标。同时结合淤泥的厚度，可靠性分析能将其间复杂多变的特性概率化，从而为海堤稳定计算提供保障。此次研究得到的结论如下：
（1）粘聚力、内摩擦角与抗滑稳定安全系数近似呈线性变化，与失稳风险率呈非线性变化，且变化幅度与速率较大，最后趋于稳定值零。且内摩擦角对于安全系数和失稳风险率的灵敏度高于粘聚力对于安全系数和失稳风险率的灵敏度。
（2）排水插板地基处理的海堤和爆炸挤淤基础处理的海堤相比，随着粘聚力C值的变化，抗滑稳定安全系数和失稳风险率的灵敏度更高。
（3）淤泥层深度也是一个重要的参数之一：深浅之间，变化幅度较大，但达到一定深度后，深度参数的作用减弱。
因此，在实际工程中如能同时利用可靠性分析等多种分析方法进行综合分析验证，力求得出一个更加客观、可靠、合理的结果。
（上接第178页）（3）桩比单桩的水平承载力提高25%左右。这可能是由两方面原因引起的，一是桩桩头被承台嵌固，不是自由的；二是承台底与地基之间有接触压力；当承台水平位移时，必然产生摩阻力，从而使桩的水平承载力增大。（4）桩端自由，桩径不同，其它条件相同，水平承载力随着桩径增粗而增大。（5）桩承台在水平荷载作用下，上游端有抬高现象。
设计时可根据所采用的桩径，桩顶的嵌固情况以及地基土质条件，参考有关试验成果，初步确定桩的容许水平承载力。
结语：工程建设的独特性，没有完全相同的两个水闸，如何使中小水闸设计做到安全、经济和合理，提高水利工程建设的设计水平，始终是摆在设计人员面前的一项重要的任务。在这些水利工程建设中，
有很多成功的工程设计、施工经验需要系统地进行总结和理论提高，同时还有很多工程问题和技术难点有待于去解决和攻关。
参考文献
[1]中华人民共和国水利电力部水闸设计规范编制说明[M].
北京：水利电力出版社，2001.
[]华新春水闸桩基的设计与计算[]安徽水利科技，3（5）
2.J.200
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