雙鴨山市安邦河干流堤坡穩(wěn)定分析及措施

于海英

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

在雙鴨山市安邦河干流堤防工程，根據(jù)GB18306—2001“中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖”中的附錄A《中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》，該區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g;按地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度區(qū)，在壩址周圍目前尚未發(fā)現(xiàn)有活斷層存在，因此，該區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性較好，按《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，堤坡穩(wěn)定不作地震靜動(dòng)力分析。

1 主城區(qū)堤坡穩(wěn)定分析及措施

1.1 計(jì)算工況選擇

根據(jù)本工程特點(diǎn)，堤防抗滑穩(wěn)定分析選取以下工況計(jì)算:

1)施工期的臨水側(cè)堤坡。

2)水位驟降情況的臨水側(cè)堤坡，水位自設(shè)計(jì)洪水位降至景觀水位。

3)設(shè)計(jì)洪水位下的穩(wěn)定滲流期的背水側(cè)堤坡。

4)施工期的背水側(cè)堤坡。

1.2 計(jì)算方法

堤坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用剛體極限平衡法。對(duì)于均質(zhì)壩采用不計(jì)條塊間作用力的瑞典圓弧滑動(dòng)法計(jì)算法或采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算。

當(dāng)采用瑞典圓弧法計(jì)算時(shí)，正常運(yùn)用條件下的最小安全系數(shù)為1.25;非常運(yùn)用情況下的最小安全系數(shù)為1.15;當(dāng)采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算時(shí)，最小安全系數(shù)應(yīng)較瑞典圓弧法提高8%～10%。

穩(wěn)定計(jì)算方法由于對(duì)土體抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法的不同，分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

1.2.1 總應(yīng)力法

1)施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計(jì)算:

2)水位降落期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計(jì)算:

式中:W01、W02為水位降落前中對(duì)應(yīng)水位Z0浸潤線以上及以下條塊重，kN，水位以上W01取濕容重，kN/m3，水位以下W02取浮容重;W1、W2為水位降落后中對(duì)應(yīng)水位Z0以上及以下條塊重，kN，水位以上W1=h1γω+h2γs，水位以下W2取浮容重;γω為濕容重，kN/m3;γs為飽和容重，kN/m3;Z0為降落前水位，m;u為降落前沿滑弧孔隙水壓力，kPa。

圖1 穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中:b為條塊寬度，m;W為條塊重力，W=W1+W2+ρWZb，kN;W1為在堤坡外水位以上的條塊重力，kN;W2為在堤坡外水位以下的條塊重力，kN;Z為堤坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離，m;u為穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa;β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，°;γW為水的重度，kN/m3;Cu，φu，Ccu，φcu，C'，φ'分別為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，kN/m3，°，應(yīng)按《土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定確定。

1.2.3 計(jì)算斷面選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘探和土工試驗(yàn)成果，結(jié)合地形條件、堤防高度和填筑材料等，選取典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，所選斷面為土體物理力學(xué)指標(biāo)值相對(duì)較差、堤防較高及代表性較好的斷面。

1.2.4 計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)采用條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算，典型斷面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表1。

計(jì)算結(jié)果表明，在不采取工程措施的情況下，典型斷面不能夠抗滑穩(wěn)定要求。

表1 典型斷面土壩穩(wěn)定計(jì)算成果表

1.2.5 堤防穩(wěn)定加固措施

根據(jù)計(jì)算，需對(duì)堤坡采取必要的加固處理措施:

1.2.5.1 下游堤坡穩(wěn)定措施

對(duì)于下游堤坡，經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定邊坡坡比需為1∶5～1∶6，堤防占地較大，城市景觀受影響。結(jié)合壩坡滲透穩(wěn)定處理，設(shè)計(jì)采取壓滲措施，壓滲體兼作堤基鎮(zhèn)壓平臺(tái)，本著挖填土方平衡，盡量減少棄渣量的原則，鎮(zhèn)壓平臺(tái)設(shè)計(jì)寬度采用10 m，鎮(zhèn)壓平臺(tái)高度以高出浸潤線出逸點(diǎn)50 cm左右為準(zhǔn)。鎮(zhèn)壓平臺(tái)沿堤防方向總長度6 174 m。其中左堤有11段，總長2 928 m。

1.2.5.2 上游堤坡穩(wěn)定措施

根據(jù)城市總體及景觀規(guī)劃要求，河道斷面上口寬度需控制在80 m之內(nèi)，上游邊坡坡比給定為1∶1.5，不允許放緩坡比，故而需采取工程加固措施，設(shè)計(jì)對(duì)上游邊坡采取土工格柵JWS護(hù)坡結(jié)構(gòu)固坡系統(tǒng)方案，其中土工格柵鋪設(shè)長度為3.0 m。

計(jì)算結(jié)果表明，采取加固措施后，上下游邊坡穩(wěn)定計(jì)算的安全系數(shù)均能滿足抗滑穩(wěn)定要求。

2 上、下游農(nóng)堤段堤防穩(wěn)定分析及措施

2.1 堤身的滲流計(jì)算與滲流控制

2.1.1 計(jì)算基本資料

上下游農(nóng)堤分別選擇了有代表性的3個(gè)斷面，分別為上游農(nóng)堤砂堤砂基，下游農(nóng)堤土堤雙基、土堤砂基，上下游農(nóng)堤均為砂堤，砂堤橫斷面迎水坡比為1∶3，背水坡為1∶4。

2.1.2 堤身的滲流計(jì)算與滲流控制

2.1.2.1.滲流量計(jì)算公式

典型斷面的單寬滲流量及下游出逸點(diǎn)計(jì)算成果見表2。

表2 滲流量、下游逸出點(diǎn)高度計(jì)算成果表

2.1.2.2 浸潤線計(jì)算

透水地基上的均質(zhì)土堤，由于地基透水的影響，堤身浸潤線降低，按不透水地基的浸潤線計(jì)算偏于安全。計(jì)算公式為:

式中:q1為堤身單位寬度滲流量，m3/s.m;k為堤身滲透系數(shù)，cm/s;h0為下游邊坡出逸點(diǎn)高度，m。

設(shè)計(jì)狀況典型斷面浸潤線計(jì)算成果見表3。

2.1.2.3 堤身背水坡滲流出口比降

1)砂堤。背水坡滲流出口比降按透水地基均質(zhì)砂堤砂基坡面滲流計(jì)算，沿滲出段的出滲坡降計(jì)算公式為:

式中:h0為下游邊坡出逸點(diǎn)高度，m;m2為0下游坡坡率;y為下游邊坡高度，m。

表3 浸潤線計(jì)算成果表

砂堤不出現(xiàn)滲透破壞的允許比降為J允=0.15，砂堤背水坡沿滲出段的出滲比降都大于允許比降。堤腳背水坡滲流出口比降不滿足要求，需要采用壓滲措施解決。

2)土堤。背水坡滲流出口比降按不透水地基上均質(zhì)土堤坡面滲流計(jì)算，沿滲出段的出滲坡降計(jì)算公式為:

式中:JA為上部滲出A點(diǎn)出口比降;JB為堤坡與不透水面交點(diǎn)B點(diǎn)出口比降;m2為下游坡坡率。

經(jīng)計(jì)算求得:JA=0.371，JB=0.40。

土堤不出現(xiàn)滲透破壞的臨界比降通過計(jì)算Jk=1.69;允許比降:

土堤背水坡滲流出口比降滿足允許比降的要求。

2.1.3 堤基的滲流計(jì)算與滲流控制

沿線堤防的堤基主要為砂基和雙層結(jié)構(gòu)地基兩種類型。

砂基是指表層弱透水層厚度＜0.50 m，或強(qiáng)透水層直接出露地表，堤基土主要由較厚含細(xì)粒土細(xì)砂和中粗砂等組成。砂基背水坡堤腳以外水平段出逸滲透比降由大變小，在滲流出口處一定范圍滲流出逸比降將大于地基土的允許出逸比降，可能由于堤腳處土體強(qiáng)度指標(biāo)降低而導(dǎo)致堤體失穩(wěn)產(chǎn)生滑坡。當(dāng)?shù)鼗骄冉挡荒軡M足要求時(shí)，也可能產(chǎn)生滲透破壞，故堤基的滲流計(jì)算與控制主要是針對(duì)砂基堤防進(jìn)行。

砂基沿地基段出滲坡降計(jì)算公式為:

式中:h0為下游邊坡出逸點(diǎn)高度，m;m2為下游邊坡坡率;x為距坡腳的水平距離。

允許比降J允=0.15，堤腳附近外側(cè)砂土的滲流比降＞0.15，故對(duì)砂基堤段采取壓滲處理。

2.2 邊坡穩(wěn)定分析與計(jì)算

2.2.1 堤型與計(jì)算方法

土堤:上下游均按簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算。

2.2.2 穩(wěn)定計(jì)算

2.2.2.1 計(jì)算條件

設(shè)計(jì)洪水位情況下游穩(wěn)定計(jì)算;水位驟降情況上游穩(wěn)定計(jì)算(由設(shè)計(jì)洪水位降至1/3壩高水位。

2.2.2.2 穩(wěn)定計(jì)算

砂土堤典型剖面穩(wěn)定計(jì)算按簡(jiǎn)化畢肖普法，堤防典型剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4計(jì)算結(jié)果可以看出設(shè)計(jì)洪水情況下下游坡和水位驟降情況下上游坡砂土堤邊坡均滿足穩(wěn)定要求。

而當(dāng)迎水邊坡為2.5、背水邊坡為3.0時(shí)，設(shè)計(jì)洪水情況下下游坡和水位驟降情況下上游坡砂土堤邊坡均不滿足穩(wěn)定要求。計(jì)算結(jié)果見表5。

由此，本次設(shè)計(jì)砂土堤迎水坡邊坡3.0、背水坡邊坡4.0是經(jīng)濟(jì)合理的。

表4 堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

表5 堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

2.3 邊坡、地基穩(wěn)定防護(hù)措施

根據(jù)以上計(jì)算，需要對(duì)堤坡、地基進(jìn)行加固處理。

2.3.1 上游農(nóng)堤

上游新建農(nóng)堤段均為砂堤，迎水坡穩(wěn)定邊坡坡比需要1∶6左右，為減少堤防占地，上游農(nóng)堤迎水坡坡比采用1∶3，背水坡坡比采用1∶4。結(jié)合迎水面護(hù)坡鋪設(shè)土工防滲膜，土工防滲膜延伸至迎水坡坡角前水平地面10 m。

2.3.2 下游農(nóng)堤

下游新建農(nóng)堤段均為砂土堤，迎水邊坡坡比1∶3，背水邊坡坡比1∶4(＞6 m堤防設(shè)置馬道)。結(jié)合迎水面護(hù)坡鋪設(shè)土工防滲膜，土工防滲膜延伸至迎水坡坡角前水平地面10 m。

結(jié)合地基穩(wěn)定計(jì)算成果，背水坡砂基滲透穩(wěn)定處理措施采取延伸措施，設(shè)計(jì)壓滲平臺(tái)寬15 m，設(shè)計(jì)壓滲總長度1 942 m。

結(jié)合地基穩(wěn)定計(jì)算成果，背水坡雙層地基滲透穩(wěn)定處理措施采用蓋重和減壓節(jié)滲溝。設(shè)計(jì)蓋重寬度20 m，蓋重壓滲體厚度為出逸點(diǎn)上加安全高0.50 m，設(shè)計(jì)厚度1.0 m;在蓋重平臺(tái)坡腳外開挖減壓排水溝，減壓排水溝開挖至強(qiáng)透水層，底寬1 m，邊坡1∶1;減壓排水溝采用干砌石護(hù)砌，下設(shè)碎石及砂礫石墊層各20 cm。設(shè)計(jì)蓋重及減壓溝總長度3 220 m。

經(jīng)計(jì)算，采取加固措施后，上下游邊坡、地基穩(wěn)定計(jì)算的安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

［1］ 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.雙鴨山市安邦河干流整治工程可行性研究報(bào)告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2010.

［2］ 毛昶熙.堤防工程手冊(cè)［S］.北京:中國水利水電出版社，2009.