高填土防洪堤設計中的穩定分析問題探討

向遠

【摘要】在地形較低的城市堤防中，擋設計標準洪水時，常選擇防洪墻式堤型作為擋水結構。而當堤內填土按堤路結合設計時，則形成高填土防洪堤。高填土對于防洪堤的穩定既存在擋水有利的一面，又存在退水不利的一面，另外，高填土防洪堤亦帶來堤岸穩定的問題。近年來，通過高填土防洪堤的設計，對施行了高填土防洪堤設計中的穩定分析問題進行探討。本文以梧州市河東防洪工程西江段和廣西梧州市河西防洪堤工程為例，總結了高填土防洪堤設計中穩定分析成果。

【關鍵詞】高填土防洪堤設計；穩定分析；問題探討

1、工程概況

梧州市河東防洪堤全長3.5km，第一期工程按10年一遇防洪標準設計（相應水位為25.35m），是保護梧州市河東城區重要屏障。西江段是河東防洪堤兩部分之一，堤長1.8km，堤頂寬10.5m，堤防按防洪、交通、游覽等綜合利用考慮。防洪堤建于西江河岸灘上，堤線所經過地面的高程在1994年以前為6-8m，1994年以后，人們在河岸堆棄雜填土，形成了高程為12～16m的河岸市場。

根據地質勘探，防洪堤所處地層自上而下為：①雜填土層；②灰色壤土層；③壤土層；④圓礫層；⑤強風化砂巖。雜填土層厚10-14m，結構松散，透水性強，滲透系數大多為1.86×10-2cm/s，部分地段則由于漏水量大而使注水試驗無法獲得穩定水頭，而且土粒級配極不均一，抗滲比降為0.15-0.20。壤土層厚10～14m，為弱透水，砂壤土厚5、10m，為中等偏弱透水，一般可視為相對隔水層。防洪堤基礎防滲設計采用厚度為0.3m、深度為6-8m的水泥土防滲墻與堤后填土壓滲結合的措施。

2、擋洪水工況的防洪堤穩定分析問題

2.1滲透穩定問題

在防洪堤擋設計（校核）洪水時，通過對西江堤的滲透穩定分析，確定防滲墻深度以及堤后填土的高度。按照（水工建筑物荷載設計規范》D15077一197的附錄D中改進阻力系數法，分析擋設計（校核）洪水時的堤基的滲透水頭，在防滲墻深度一定的情況下，堤后填土的高度是決定滲透穩定的關鍵因素。在河東防洪工程西江堤設計中，當堤后填土填至20m高程，高度達12m時，地面處設計（校核）滲透坡降為0.11（0.128），均小于雜填土抗滲比降為0.15～0.20，說明在擋設計（校核）洪水時，防洪堤堤后填土逸出點滿足滲透穩定要求。

2.2被動土壓力選擇問題

《水工建筑物荷載設計規范》DL5077一197中規定了主動土壓力和靜止土壓力的計算方法，被動土壓力則認為對建筑物有利，因此，水工建筑物設計一般不予考慮，而將它作為安全儲備。但是，在防洪堤擋設計（校核）洪水工況下，防洪堤的穩定是靠堤后填土形成被動土壓力維持的。根據滲透分析和防洪堤受力分析，在防洪堤擋設計（校核）洪水工況下，堤后水平力合力等于水壓力+取浮容重計算的被動土壓力，或等于取濕容重計算的被動土壓力。設計時，取兩者小值計算，以利工程安全。

2.3退水工況的防洪堤穩定分析問題

2.3.1堤內水壓力高度的確定

防洪墻設計與公路擋土墻在構造上的區別之一，是在防洪墻體上不設排水孔。因此，在退水工況下，堤后滲水消失的速度較堤外洪水退水慢，由此而形成在防洪墻體上產生向外江作用的水壓力和在堤基產生向外江的滲透水壓力。在梧州市河東堤西江堤設計中，將在防洪堤擋設計（校核）洪水時，滿足滲透穩定要求的逸出點，作為堤內水壓力的零點，即逸出點為平地面高程20.0m。

2.3.2作用于防洪墻體上水平力選擇問題

由防洪墻體受力分析可知，在洪水退水工況下，外江水壓力消失，而堤內水壓力、土壓力增大。堤后水平力合力等于水壓力十取浮容重計算的主動土壓力，或等于取飽和容重計算的主動土壓力。在梧州市河東防洪工程西江堤設計時，取兩者間較大值，作為堤后水平力受力組合作用于防洪墻體上，以利工程安全。

2.3.3堤外退水高度的確定

梧州市河東堤西江堤設計擋10年一遇洪水水位為25.35m，西江枯水位為6-8m，洪水漲落變幅達17.35-19.35m。西江水位退至堤基以下，則堤基揚壓力中僅有滲透水壓力，但西江水位退至堤基以上時，則堤基揚壓力中有滲透水壓力和浮托力，而且滲透水壓力和浮托力的大小是隨著西江水位變化而改變。因此.在梧州市河東堤西江堤設計時，在堤基8.om高程基礎上，西江水位按8.5、9、9.5、10、10.5m等，每增加0.5m，就計算防洪堤的穩定安全系數，繪制水深與抗滑穩定安全系數關系圖，求得防洪堤最小的穩定安全系數所對應的水深值，即為堤外退水高度。經計算，在堤基上有1.25m水頭時，防洪堤的穩定安全系數最小。

3、高填土防洪提的堤岸穩定分析

梧州市河西得江段防洪堤西起梧州西江橋，東至文瀾路口，全長4.465km，其中木材廠至文瀾路口段長3.5km，是作為保護梧州市政治、經濟、文化中心的河西區的屏障。按50年一遇洪水標準設計的河西得江段防洪堤，是在上世紀80年代西堤路擋土墻基礎上，采用空箱結構加高、加固，形成現狀的空箱和擋土墻共同擋設計標準洪水的重力空箱式結構堤。目前，該段河岸地形基本分兩級，一級邊坡5-17m高程，坡比：1.8-1：2.5，二級邊坡17-23m高程，坡比1：1.8-1：2.7，西堤路擋土墻建于岸坡頂，路面高程25-26m高程，由此而形成堤岸高差約20m的堤岸穩定問題-。由于公路擋土墻堤基及墻身存在滲水問題，不滿足堤內防滲要求。防滲方案一為在堤內填土壓滲；防滲方案二則是在原擋土墻身設防滲面板和堤基設防滲帷幕。

4、結語

高填土防洪堤具有在汛期擋高洪水和退水、枯水期擋高填土的特點，因此，選擇最優堤后填土高度，即可使洪水期滲透穩定滿足規范要求，亦可使退水或枯水期主動土壓力最小，以達到設計的防洪墻截面最小的目的。同時，堤岸穩定問題亦是高填土防洪堤設計的關鍵問題之一。

參考文獻：

[1]高曉琴，姜姜，張金池.生態河道研究進展及發展趨勢[J].南京林業大學學報（自然科學版），2008，32（1）：103-106.

[2]王英華，王玉強，秦鵬.淺析新農村河道生態護岸型式及選用[J].中國農村水利水電，2010，（3）：102-104.