引言

为开发黄河入海口三角洲地带丰富的油气资源，我国于1986年在此修筑了近150 km的海堤工程，海堤内侧为胜利油田孤东采油厂。胜利油田海堤工程紧邻郯庐地震带和燕山—渤海地震带，且地处易液化场地。一旦遭受破坏性地震作用，场地液化将加重海堤破坏，严重时将引起海水倒灌油气采集区，引起停产、环境污染等一系列严重后果。因此，研究考虑场地液化影响的海堤工程震害预测方法对保障油田安全生产和提升防灾减灾能力具有重要工程意义，也是石化行业地震灾害风险调查与重点隐患排查的重要手段和方法。

1976年唐山地震时，高达22 m陡河土石坝遭受严重破坏，震后大坝左右扭曲，上下起伏，坝体出现大量裂缝、沉陷、滑坡、防浪墙倒塌、上下游坝脚喷水冒砂等震害（时振梁等，2002）；天津北大港堤坝严重破坏，有3.86 km堤段出现裂缝，坝体沉降10～20 cm，普遍出现喷砂漏水、防浪墙及护坡开裂、局部坝体滑坡等震害。1964年新泻地震时，引起阿贺野川堤防破坏。1983年日本海中部地震时，引起八郎泻吹填堤防破坏（蔡为武，1999）。通过总结堤坝历史震害发现，堤坝震害类型以坝身滑坡和坝基地震液化为主。

近年来，国内外学者对海（河）堤抗震性能进行了大量研究。Yasuhara等（2018）对2011年日本东北部太平洋地震后河堤沉降进行了分析，阐述了河堤及邻近民居下黏土沉积的震后沉降史，并提出了减轻沉降和变形造成的损害、损失对策。对于海堤稳定性，孙锋等（2014）利用FLAC 3D软件中的动力分析模块对某海堤在地震作用下的动力响应规律进行了研究，得出深厚软土地基底部基岩输入的地震波对海堤存在垂直放大和临空面放大作用。海堤内部加速度峰值在竖直方向随高程的增加而增大，到坡顶时急剧增大，海堤在极限安全地震动作用下的动力响应规律也是海堤稳定性评价的基础。对于场地液化程度的判断，蒲高军等（2005）通过分析胜利油田孤东海堤附近海域浅层地基土的实际勘察数据和地震资料，认为地震峰值加速度值为0.10 g时场地不发生液化。对于海堤的抗滑稳定性，郭翔等（2016）运用极限平衡法与有限元强度折减法分析了施工期不同潮位作用下海堤迎水坡与背水坡的抗滑稳定性；陈晓平等（2007）采用强度折减有限元法分析了软土地基上的海堤在自重、波浪力和渗透力耦合作用下的整体稳定性。毛昶熙等（1999，2000）采用单圆弧滑动和复合圆弧滑动及加筋抗滑的有限元法分析了海堤护坡块体和堆筑墙面块体的抗滑稳定性。对于海堤的震害预测，卢盛松等（1987）采用有限元法与圆弧滑动法分析了7度地震作用下海堤的抗滑稳定性；李家宁（2007）采用假定滑动面法分析了胜利油田孤东海堤在6～9度地震烈度影响下迎浪面坝身的稳定性；周斌等（2004）采用假定滑动面法对胜利油田孤东海堤坝基地震液化和坝身稳定性评价方法进行了分析，评估了7～9度地震烈度下场地液化等级和6～9度地震烈度下的坝身滑坡程度。卢永金等（2005）总结了海堤破坏模式，并界定了各破坏模式下的坝体状态。

以上研究尚未涉及对地震诱发场地液化导致的迎浪面和背浪面海堤滑坡分析，未对地震诱发场地液化导致的海堤破坏等级进行界定，未给出评定海堤地震破坏等级的方法，因此无法有效评估海堤抗震能力。鉴于此，本文提出了综合考虑抗滑稳定性、场地液化影响及功能失效后果的海堤震害预测方法，同时基于本方法给出了某海堤工程在6～9度地震烈度下的破坏等级，并分析其抗震能力。

1.   海堤震害预测方法

本文提出的海堤震害预测方法研究对象为考虑场地液化影响的海堤工程，需根据场地液化情况，对液化部位坝体和场地土力学参数进行调整，计算迎浪面和背浪面海堤抗滑安全系数，评定海堤破坏等级。考虑场地液化影响的海堤震害预测方法流程如图1所示。

图 1  海堤震害预测方法流程

Figure 1.  Flow chart of seawall earthquake damage prediction

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1.1   液化对海堤滑坡稳定的影响

海堤地基部分的轻微液化仅在一定程度上增加海堤滑坡的可能性，而中等液化将大大增加海堤滑坡的可能性。考虑到地震中海堤地基可能发生液化，且历史地震表明液化会加重海堤破坏，一旦地基发生严重液化，无论是否出现滑坡，海堤的使用功能均将基本丧失。

本研究通过改变液化土层力学参数，参考白铭学等（1990）对液化区黄土力学性质的研究及王明星等（2013）对液化层折减系数的处理，结合JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》（中华人民共和国建设部，2008）中对土层液化折减系数及蒋清国（2015）对液化地层土体力学指标的研究，结合工程实例，将液化因素考虑在抗滑安全系数计算过程中。夏元友等（2004）通过对35个工程样本的分析，认为土体黏聚力与内摩擦角对边坡稳定有较强的敏感性。根据孙晓东等（2010）的研究，不能将黏聚力作为常量，而应按变量考虑。通过对地震前后地基土体应变、应力及位移变化趋势的分析，胡彩清（2014）得出地震作用使土体应变、应力及位移增大的结论，导致土体承载力、黏聚力降低或稳定性丧失等。本研究对海堤稳定性进行分析时考虑了液化对土体参数的影响，不同程度场地液化情况下液化土层力学参数修正方法如表1所示。

表 1  计算参数修正方法

Table 1.  Calculation parameter correction method

场地液化程度	黏聚力c	内摩擦角
未液化	c	φ
轻微液化	0.92c～0.99c	0.82φ～0.99φ
中等液化	0.80c～0.91c	0.60φ～0.81φ
严重液化	0.68c～0.79c	0.42φ～0.59φ

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基于GB 51254—2017《高填方地基技术规范》（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2017）和GB/T 24336—2009《生命线工程地震破坏等级划分》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2009）的规定，地震作用下边坡抗滑安全系数临界值取为1.05。若海堤抗滑安全系数最小值大于1.05，则海堤抗滑稳定性符合要求；若海堤抗滑安全系数最小值小于1.05，则海堤抗滑稳定性不符合要求；若海堤抗滑安全系数最小值为1.05，则海堤抗滑稳定性处于临界状态，如表2所示。

表 2  海堤滑坡与抗滑安全系数最小值的关系

Table 2.  Relationship between seawall landslide and minimum safety factor of anti-sliding

抗滑安全系数最小值	海堤状态
$ {K_{\rm{s}}} \in \left( {0\;,\;1.05} \right) $	滑坡
$ {K_{\rm{s}}} = 1.05 $	临界
$ {K_{\rm{s}}} \in \left( {1.05\;,\; + \infty } \right) $	不滑坡

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由于海堤结构由水上部分和水下部分组成，水下部分可能液化，滑坡稳定性分析中的抗滑力由水下部分和水上部分构成，虽然总的安全系数大于1.05时，在理论上不会发生滑坡，但下部坝体的液化会使漂浮其上的堤坝上部结构丧失稳定性，因此需综合考虑迎浪面和背浪面海堤结构抗滑安全系数及场地液化程度的影响，对海堤破坏状态进行界定。

1.2   海堤抗滑稳定性分析

在土体自重、孔隙压力等荷载作用下，如果海堤堤身或地基土料抗剪强度不足，堤身或堤身连同一部分地基有可能发生塌滑，故本文采用滑坡稳定性分析方法对海堤进行震害预测。

已有研究中，海堤稳定性分析采用条分法，该方法由瑞典工程师Fellenious提出，具有普遍意义，不仅可分析简单土坡，还可分析复杂土坡，如土质不均匀、坡上或坡顶承受荷载的土坡等。该方法的基本原理为假定堤身存在一系列滑动面，将滑动体划分为条块，计算滑动条块上作用的滑动力和抗滑力，将滑动力除以抗滑力，得到稳定安全系数，计算一系列滑动面，求得海堤稳定的最小安全系数。

每个滑动条块重心处水平地震作用Q_i按下式计算：

式中，${K_{\rm{H}}}$为水平地震系数；${C_{\rm{Z}}}$为综合影响系数，取0.25；$ {\alpha _i} $为地震加速度分布系数；$ {W_i} $为集中于条块重心的全部质量。

海堤抗滑安全系数按下式计算：

式中，$ {C_i} $为土料黏聚力，取值时需考虑液化因素对其进行修正（王明星等，2013）；$ {\varphi _i} $为土料内摩擦角；$ {u_i} $为孔隙压力；$ {W_i} $为土条质量；M_ci为力矩，$ {M_{{\rm{c}}i}} = {Q_i}{e_i} $，$ {e_i} $为土条重心到圆心的垂直距离；$ {L_i} $为土条宽度；$ {\theta _i} $为土条底部中点与滑弧中心连线垂直夹角；R为滑动面半径，海堤稳定性分析示意如图2所示。

图 2  海堤稳定性分析示意

Figure 2.  Schematic diagram of seawall stability analysis

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1.3   海堤地震破坏等级评定方法

为全面评估海堤地震灾害风险及可能造成的损失，从海堤抗滑稳定性、场地液化及修复难易程度等方面，评定海堤工程地震破坏等级，其中，海堤抗滑安全系数取迎浪面海堤抗滑安全系数和背浪面抗滑安全系数中的最小值，如表3所示。

表 3  海堤破坏等级评定方法

Table 3.  Evaluation method of seawall damage grade

破坏等级	评定依据
基本完好	海堤抗滑安全系数最小值＞1.05，且海堤地基未液化
轻微破坏	海堤抗滑安全系数最小值＞1.05，且海堤地基轻微液化
中等破坏	海堤抗滑安全系数最小值＞1.05，且海堤地基中等液化
严重破坏	海堤抗滑安全系数最小值＞1.05，且海堤地基严重液化
毁坏	海堤抗滑安全系数最小值＜1.05

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对于不同的破坏等级，给出了相应的海堤破坏现象和功能状态，如表4所示，以便评估海堤地震灾害风险。

表 4  不同破坏等级海堤破坏现象和功能状态

Table 4.  Phenomena and engineering state corresponding to seawall damage grades

破坏等级	破坏现象和功能状态
基本完好	堤坝表面完好，无须维修能够继续使用
轻微破坏	堤坝表面有轻微裂痕，局部维修后能继续使用
中等破坏	堤坝表面有较多裂缝，加固后方能使用
严重破坏	堤坝表面多处开裂，局部坍塌，大修后方能使用
毁坏	堤坝坍塌，海堤使用功能丧失，需重建

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2.   海堤震害预测实例

2.1   海堤与场地概况

某海堤全长约4.8 km（图3），堤身为素填土，主要成分为粉土和粉质黏土，堤高12 m，堤身坡度为1∶3，海堤迎海面设有扭工体、抛石等用于防浪和稳固堤坝，堤面设有混凝土护坡和戗台，混凝土强度等级为C25，且在戗台位置和海底泥面分别设有竖直向下长约9 m的嵌套式粉喷桩和竖直向下长12 m的钢筋混凝土桩，用于加固。2019年遭受某台风冲击，该段海堤未破坏，未经过加固维修。海堤断面如图4所示。

图 3  海堤实景

Figure 3.  Seawall

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图 4  海堤断面

Figure 4.  Seawall section

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蒲高军等（2005）的研究结果表明，抗震设防烈度为7度及以上时，淤泥质粉质黏土应考虑震陷，场地液化程度判定结果如表5所示。

表 5  场地液化程度判定结果

Table 5.  Determination results of site liquefaction degree

地震加速度值	场地液化程度
0.10 g	不发生液化
0.15 g	中等液化
0.20 g及以上	严重液化

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2.2   海堤稳定性分析

根据海堤断面、土层、水位等基本信息，建立理正岩土边坡稳定性分析模型，水线取扭工体中段，根据海堤每段的水平投影和竖向投影自海堤底部开始建模，将土层简化为2层，考虑液化的影响，输入对应土层土体重度、黏聚力、内摩擦角，完成建模。分析海堤在地震动强度为0.05 g～0.80 g时的稳定情况，并根据液化情况，对具体的计算参数进行修正，修正后的具体计算参数采用最不利条件计算，如表6所示，其中土层1为水线以上的土层，土层2为水线以下的土层。海堤土层高程分布如表7所示。

表 6  模型计算参数

Table 6.  Calculation parameters of the model

参数		地震强度/g
		0.05	0.10	0.15	0.20	0.30	0.40	0.80
土体重度/（kN·m−3）	土层1	18.07	18.07	18.07	18.07	18.07	18.07	18.07
	土层2	19.52	19.52	19.52	19.52	19.52	19.52	19.52
土体黏聚力/kPa	土层1	16.00	16.00	16.00	16.00	16.00	16.00	16.00
	土层2	13.00	13.00	10.40	8.84	8.84	8.84	8.84
土体内摩擦角/（°）	土层1	18.00	18.00	18.00	18.00	18.00	18.00	18.00
	土层2	29.00	29.00	17.40	12.18	12.18	12.18	12.18

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表 7  海堤土层高程分布

Table 7.  Soil layer distribution map of seawall

土层种类	土层高程/m
粉土	−1.170～−0.370
粉质黏土	−8.070～−1.170
粉土	−11.270～−8.070
粉质黏土	−14.470～−11.270

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根据模型计算参数，不同强度地震作用下迎浪面及背浪面海堤在场地液化及场地不液化情况下的抗滑安全系数如表8所示。由表8可知，考虑场地液化影响后，抗滑安全系数明显降低。

表 8  海堤地震稳定性分析结果

Table 8.  Seawall seismic stability analysis results

地震强度/g	外坡迎浪面海堤抗滑安全系数			内坡背浪面海堤抗滑安全系数
	考虑液化	不考虑液化		考虑液化	不考虑液化
0.05	1.327	1.327		1.990	1.990
0.10	1.180	1.180		1.746	1.746
0.15	1.137	1.148		1.702	1.692
0.20	1.043	1.119		1.598	1.603
0.30	0.963	1.064		1.421	1.528
0.40	0.895	1.003		1.238	1.467
0.80	0.772	0.972		1.048	1.381

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以地震强度为0.20 g时为例，迎浪面海堤地震稳定性分析结果如下：抗滑安全系数为1.043，按照条分法划分的土条数为36，滑动面圆心位置为（28.6，34.2），潜在危险滑动面半径为45.984 m，迎浪面海堤稳定安全系数小于且接近限值1.05，如图5所示，滑动圆弧起点位于堤顶约1/2的位置。

图 5  地震强度为0.20 g时外坡迎浪面海堤地震稳定性分析结果

Figure 5.  Seismic stability analysis results of the wave face of the outer slope seawall with an earthquake intensity of 0.20 g

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以地震强度为0.20 g时为例，背浪面海堤地震稳定性分析结果如下：抗滑安全系数为1.598，按照条分法划分的土条数为18，滑动面圆心位置为（5.4，13.4），潜在危险滑动圆弧半径21.126 m，背浪面海堤稳定安全系数大于限值1.05，如图6所示，滑动圆弧起点位于堤顶约4/5的位置。结合迎浪面海堤地震稳定性分析结果可知，土壤发生严重液化，但背浪面海堤整体安全性较好，所以海堤处于中等破坏状态。

图 6  地震强度为0.20 g时内坡背浪面海堤地震稳定性分析结果

Figure 6.  Seismic stability analysis results of a seawall on the inner slope and back wave surface with an earthquake intensity of 0.20 g

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由计算结果可知，海堤抗滑安全系数随地震烈度的上升而减小，海堤在强度为0.05、0.10 g的地震作用下均处于基本完好状态；在强度为0.15 g的地震作用下，场地发生中等液化，海堤发生中等破坏；在强度为0.20、0.30、0.40、0.80 g的地震作用下，海堤抗滑安全系数＜1.05，场地发生严重液化，除在强度为0.20 g的地震作用下海堤发生严重破坏外，强度＞0.20 g的地震作用下海堤均会毁坏。

背浪面海堤的整体抗滑安全系数较高，背浪面海堤除在强度为0.80 g的地震作用下抗滑安全系数小于限值1.05外，在强度＜0.80 g的地震作用下抗滑安全系数均大于1.05，而迎浪面海堤在强度＞0.15 g的地震作用下抗滑安全系数已低于限值1.05。

2.3   震害预测结果与分析

根据计算得到的不同强度地震作用下海堤抗滑安全系数最小值，综合考虑液化程度等因素，依据海堤破坏等级划分标准给出海堤震害预测结果，如表9所示，其中，F_sy表示迎浪面海堤抗滑安全系数，F_sb表示背浪面海堤抗滑安全系数。

表 9  海堤震害预测结果

Table 9.  Forecast results of sea wall earthquake damage

地震强度/g	0.05	0.10	0.15	0.20	0.30	0.40	0.80
Fsy	1.327	1.180	1.137	1.043	0.963	0.895	0.772
Fsb	1.990	1.746	1.702	1.598	1.421	1.238	1.048
液化程度	不发生液化	不发生液化	中等液化	严重液化	严重液化	严重液化	严重液化
震害等级	基本完好	基本完好	中等破坏	严重破坏	毁坏	毁坏	毁坏

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根据震害预测结果可知，海堤在强度为0.05、0.10 g的地震作用下处于基本完好状态，在强度为0.15 g的地震作用下发生中等破坏，在强度为0.20 g的地震作用下发生严重破坏，而在强度为0.30、0.40、0.80 g的地震作用下发生毁坏，可知该海堤满足抗震设防要求。高地震烈度下会对油田生产设施造成影响，且海堤本身的破坏也会造成经济损失，导致抗风浪能力下降，可能威胁油田安全生产。

在早期的研究工作中，针对该海堤工程进行的抗滑稳定性分析由于未考虑土体液化对安全系数的影响，在强度为0.05、0.10、0.15、0.20、0.30、0.40 g的地震作用下，该海堤的稳定性安全系数均＞1.0，仅在地震强度为0.40 g以上时才考虑场地液化的影响，判定海堤产生滑坡破坏，在一定程度上低估了海堤的地震灾害风险。

3.   结语

本文以易液化场地海堤工程为研究对象，提出了考虑液化影响的海堤工程震害预测方法，以某海堤工程为例进行震害预测分析，给出了海堤工程在不同地震烈度下的震害等级，分析了场地液化对其抗震能力的影响，得出以下结论：

（1）本文方法同时考虑了迎浪面和背浪面海堤抗滑稳定性，并考虑坝基液化的影响，对海堤破坏等级进行了综合评定。

（2）与本文研究结果相比，早期针对本文所依托海堤工程的研究由于未充分考虑地基液化的影响，在一定程度上低估了海堤工程地震灾害风险水平。

致谢 本研究使用了中国石化胜利油田有限公司的观测资料，在此表示感谢。