防洪堤整體穩(wěn)定性計算

劉海軍

（婁底市水利水電勘測設(shè)計院　　婁底市　417000）

防洪堤整體穩(wěn)定性計算

劉海軍

（婁底市水利水電勘測設(shè)計院婁底市417000）

由于長期經(jīng)受水的滲透作用，堤防容易發(fā)生坍塌和滑動現(xiàn)象。文章針對漣源市水洞底鎮(zhèn)防洪堤的穩(wěn)定性問題，按不擋水和擋水兩種情況分析，并考慮多種荷載組合，對防洪堤進(jìn)行穩(wěn)定性計算。

防洪堤荷載穩(wěn)定性計算

1 工程概況

漣源市水洞底鎮(zhèn)防洪堤位于孫水河上，治理天堂村～羊角村的11.038km河段，該段河道為山區(qū)河道，漲落較快，兩岸防洪工程采用護(hù)岸進(jìn)行處理，水洞底鎮(zhèn)政府所在地河段高程滿足要求，亦采用護(hù)岸進(jìn)行處理，護(hù)岸布置在岸坡松散、垮塌處或河岸匯入口比較紊亂的地段或當(dāng)沖的凹岸，岸頂高程到原有堤高程。護(hù)岸式擋土墻尺寸：頂寬0.6m，臨水側(cè)坡比為1∶0.75，背水側(cè)面1∶0.5，墻趾臺階寬1.0m、墻趾臺階高1.0m，基礎(chǔ)埋深1.0m。

2 水文地質(zhì)

2.1水文

孫水河流域?qū)儆诘湫偷闹衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，降水豐沛、徑流豐富。本流域內(nèi)多年平均降雨量1328.8mm，年平均蒸發(fā)量1423.9mm。降水主要集中在4～7月份，降水量占年總量的57%，其中以5、6月份最多，降水量占年總量的近1/3。工程所在地區(qū)的氣候特征資料參考臨近的漣源市氣象站，據(jù)漣源市氣象站資料統(tǒng)計，多年平均風(fēng)速1.7m/s，最大風(fēng)速20.0m/s，多年平均最大風(fēng)速為13.0m/s。多年平均氣溫17.0℃，年極端最高氣溫40.1℃，最低氣溫-12.1℃，高溫一般發(fā)生在7～8月，低溫一般出現(xiàn)在1～2月。

孫水干流下游建有石安水文站，石安水文站站址設(shè)在孫水河富公亭至落花洲之間，控制孫水流域面積802km2，站址穩(wěn)定，有1961～2001年孫水河實測水位～流量資料。石安水文站實測最大洪峰流量1240.0m3/s（1998年7月），實測最小流量為0.22 m3/s（1987年11月），頻率為97.06%，孫水多年平均流量為18.1m3/s。

2.2地質(zhì)

各層巖土特征為：

含碎石粘土：灰色、灰黃色，硬塑～堅硬，干燥，夾有約30%左右的碎、塊石，塊徑（5～15）cm。有光澤；干強(qiáng)度高；韌性中等；一般厚度為（2.5～7.0）m，主要分布于河床兩側(cè)Ⅰ級階地；容許承載力（160～180）kPa。

礫質(zhì)粉質(zhì)粘土：棕黃色，硬塑～堅硬狀態(tài)，干燥，稍有光澤，干強(qiáng)度、韌性中等，局部含有少量角礫，含量約15%左右。主要分布于河流兩岸局部段山坡坡麓，表層植物根系發(fā)育，一般厚度為（0～5.0）m，分布不均勻；容許承載力（140～160）kPa。

砂卵石：灰色、灰白色夾少量深灰色，主要礦物組成為石英和云母，卵石以圓形及亞圓形為主，分選性較好，磨圓度好，中密～密實，局部夾有細(xì)砂。現(xiàn)場孔內(nèi)動力觸探試驗平均擊數(shù)為33.8擊；厚度為（2.0～5.0）m，分布均勻；容許承載力（300～350）kPa。

強(qiáng)風(fēng)化頁巖、灰?guī)r：主要由灰色、灰白色厚層狀～巨厚層狀致密白云質(zhì)灰?guī)r、淺灰色厚層塊狀灰?guī)r、中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r夾白云巖、黑色鈣質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、灰?guī)r為主，容許承載力（900～1100）kPa。

強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾頁巖：主要以粉砂巖、砂質(zhì)頁巖為主，局部為灰～灰白色石英砂巖、粉砂巖夾砂質(zhì)頁巖和黑色頁巖，夾無煙煤層。巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體風(fēng)化破碎嚴(yán)重，完整性較差，局部風(fēng)化深度較大，部分風(fēng)化巖體呈散體狀，容許承載力（800～900）kPa。

3 基礎(chǔ)處理

岸基處理應(yīng)根據(jù)護(hù)岸工程級別、岸高、岸基條件，選擇經(jīng)濟(jì)合理的方案。岸基處理應(yīng)滿足滲流控制、穩(wěn)定和變形的以下要求：

（1）防止塌岸，控制岸坡后退。

（2）竣工后岸基和岸身的總沉降量和不均勻沉降量應(yīng)不影響護(hù)岸的安全運(yùn)用；根據(jù)地質(zhì)提供的資料分析，岸基主要為粉質(zhì)粘土、含少量礫的粘土、砂卵石組成或基巖上，岸基表層的淤泥質(zhì)土類含水量較高，具有高壓縮性，為避免岸身因不均勻沉降產(chǎn)生裂縫，要求將淤泥質(zhì)土、垃圾、雜土全部清挖，為避免護(hù)岸砂礫石基礎(chǔ)被淘刷，護(hù)岸基礎(chǔ)應(yīng)埋置一定深度。

防洪工程設(shè)計采用護(hù)岸均較平順，基礎(chǔ)沖刷深度按照下式進(jìn)行計算：

式中hb——局部沖刷深度（m），從水面計算；

hp——沖刷處水深（m），以近似水位最大深度

替代；

n——與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般

取n=0.25；

Vcp——平均流速（m/s）；

V允——河床面上允許不沖流速（m/s）；

根據(jù)地質(zhì)資料可知，砂卵石的抗沖刷流速（0.8～ 1.2）m/s，含碎石粘土（0.6～0.7）m/s，本工程兩岸土堤大部分為含碎石粉質(zhì)粘土，因此本工程僅對含碎石粘土基礎(chǔ)進(jìn)行計算，選取5+505-5+857段的護(hù)岸沖刷深度進(jìn)行計算：沖刷處水深為6.3m，平均流速為1.7m/s，計算得出局部沖刷深度為（6.68～6.86）m，需要基礎(chǔ)埋置深度為（0.38～0.56）m，考慮到地質(zhì)資料取值為經(jīng)驗取值，埋置深度為（0.5～1.0）m之間取值，當(dāng)岸高∠2m時，埋置深度取0.5m，當(dāng)2m≤岸高≤3 m時，埋置深度取0.8m，當(dāng)岸高＞3m時，埋置深度取1.0m。

4 防洪堤穩(wěn)定性計算

護(hù)岸選取典型斷面進(jìn)行抗傾、抗滑和地基承載力計算，選取5+791m的左岸護(hù)岸作為復(fù)核計算的典型斷面，典型斷面如附圖所示。

附圖　典型斷面圖

4.1穩(wěn)定性計算要求

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，5級堤防工程防洪墻抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)見表1。

表1　防洪墻抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)表

4.2計算方法

（1）抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計算：

式中K——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑W——作用于墻體上的全部垂直力的總和

（kN）；

∑P——作用于墻體上的全部水平力的總和

（kN）；

f——底板與基底之間的摩擦系數(shù)；取0.5。

（2）抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計算：

式中Ko——抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；

MV——抗傾覆力矩（kN·m）；

MH——傾覆力矩（kN·m）。

（3）擋土墻基底壓應(yīng)力按下式計算：

式中σmax、min——基底的最大和最小壓應(yīng)力（kPa）；

∑G——垂直荷載（kN）；

A——底板面積（m2）；

∑M——荷載對底板形心軸的力矩（kN·m）；

∑W——底板的截面系數(shù)（m3）。

4.3計算工況、基本荷載及參數(shù)

正常情況：

工況一：護(hù)岸不擋水（或施工期）情況；

工況二：護(hù)岸為設(shè)計水位情況。

基本荷載：自重、設(shè)計洪水位時的靜水壓力、揚(yáng)壓力、風(fēng)浪壓力、土壓力。

填筑料：土石碴混合料。

墻體：材料為M7.5水泥砂漿砌塊石，容重為24.0kN/m3。

摩擦系數(shù)：抗滑摩擦系數(shù)f為0.53～0.58。

4.4計算成果及分析

經(jīng)對典型斷面進(jìn)行計算，成果如表2。

表2　護(hù)岸穩(wěn)定分析及基底應(yīng)力計算表

由表2可知，護(hù)岸典型斷面抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)k=1.277～1.623＞1.05，抗傾穩(wěn)定最小安全系數(shù)k=2.155～3.254＞1.40，基底最大壓應(yīng)力P=（199.252～239.749）kPa，堤基地層基本為砂卵石層，允許承載力大于300kPa，基底應(yīng)力能滿足地基土允許承載力要求。

5 結(jié)　論

（1）防洪堤典型斷面在兩種工況下的抗滑穩(wěn)定和抗傾穩(wěn)定性計算安全系數(shù)均滿足設(shè)計規(guī)范的允許值，因此滿足設(shè)計要求。

（2）典型斷面在兩種工況下的基底最大壓應(yīng)力在地基承載能力范圍以內(nèi)，因此滿足堤基應(yīng)力要求。

劉海軍（1982-），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事水利設(shè)計和監(jiān)理工作。

（2016-06-30）