基于Autobank的湘江汛期某堤壩穩定性計算

姚紀華，朱龑飛，莊艷紅，廖 武，賀文雙，何香建，宋文杰

(1.湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007；2.湖南九一工程設計有限公司，湖南 長沙 410018；3.韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 韶關 512025)

1 研究背景

江河湖堤壩穩定性一直是汛期亟待解決的難題，汛期湍急水流持續沖刷、高洪水位滲透作用及河水位陡降時堤內水外滲作用，極易引發堤壩滲透破壞和堤外坡失穩滑坡，特別是病險、隱患堤壩，常常引發堤壩潰口，導致水患災害。因此，為緩解防汛壓力，研究汛期堤壩滲透破壞和內外坡失穩的原理和成因，探究失穩堤壩加固措施顯得尤為重要。

由于堤壩形式、填筑材料、堤基地質條件和水力條件的差異性，導致堤壩滲流和抗滑穩定性計算極其復雜。因此，學者們在數學理論解方面進行了很多探索，主要有堤壩非均質各向異性穩定性數學解[1-3]、基于一定邊界和排水條件的解析解[4]和半經驗半理論公式的近似解[5]。在數值模擬計算方面，主要利用有限元計算軟件對特定水位[6-8]、水位漲落[9]、地震+特定水位[10-11]等對多種工況下堤壩穩定性進行模擬求解。考慮到堤壩穩定性計算的困難，也有學者通過室內模型試驗研究堤壩穩定性[12-15]。此外，許多學者基于監測和物探分析對堤壩穩定性進行了研究[16-20]。

上述研究從多方面、多角度揭示了不同條件下堤壩穩定性的特性，但汛期江河湖堤壩通常會出現長時間高洪水位運行后水位陡降的復雜狀況，其滲流和抗滑穩定具有突變性和特殊性，一旦發生滲透破壞和堤岸失穩，可能引發巨大的災害。因此，研究汛期堤壩穩定特性及災后加固措施是十分必要的。

本文采用現場鉆探、室內外土工試驗等方法獲得汛期某段垮塌堤壩巖土的物理力學參數，對原堤壩利用有限元模型進行了穩定性分析，通過校正計算參數，分析計算加固后堤壩的穩定性。本研究成果可為江河湖堤壩汛期穩定分析、搶險及災后加固重建提供參考。

2 基本原理

2.1 滲流分析理論

對于穩定滲流，符合達西定律的非均各向異性二維飽和-非飽和滲流微分方程[21]：

(1)

式中：Q為單位時間平面邊界入滲量，m3/d;C(h)為容水度；Ss為貯水系數；x、y為平面坐標；φ為水頭勢函數；Kx、Ky為x、y軸方向的滲透系數，m/d。

當某邊界上單位時間滲流量Q已知時，公式(1)右邊體積含水量變化率為0時，可簡化為：

(2)

式中：lx、ly為邊界表面向外法線在x，y方向的余弦。

根據堤壩實際情況，建立地質概化模型，并進行有限元離散，在給定堤外河水位及水位陡降變幅的基礎上，利用Autobank中滲流穩定模塊對堤壩的滲流場進行模擬計算，求解過程是通過節點流量平衡法在迭代計算的基礎上，自動確定浸潤線位置和滲流量[22 ]。

2.2 抗滑穩定理論

根據參考文獻[23]穩定滲流期附加孔隙水壓力已經消散不予考慮，而施工期和水位降落期對粘性土應該計入附加孔隙水壓力[23]。堤壩在壩頂水位和設計水位時抗滑穩定計算采用忽略孔隙水壓力的總應力法；在河水位陡降時采用有效應力法。在沒有實測資料的情況下，附加孔隙水壓力=孔壓系數×土條有效重量的增量[24]。

本次計算抗滑穩定性計算采用Autobank中的Bishop模塊，其安全系數Fs計算公式為：

Fs=

(3)

(4)

式中：ci、φi、li、θi分別為第i計算條塊滑面的黏聚力、內摩擦角、長度和傾角；Ui、Gi、Gbi、Qi分別為第i計算條塊的滑面單位寬度總水壓力、單位寬度自重、單位寬度豎向附加荷載、單位寬度水平荷載。

3 工程概況

堤壩位于湘江干流某水閘上游1 km范圍內，2019年7月該河段遭遇50～100年一遇洪水威脅，長達7～8 d處于警戒水位以上，4～5 d處于保證水位以上，最大洪峰過境時，兩岸堤防長達3 h處于河水漫堤狀態，且堤內坡下部出現多處散浸和集中滲漏，但滲漏水多為先渾濁后迅速變清，同時堤內為大片居民區和農耕地，防汛形勢嚴峻。現場采取了提前疏散居民、堤頂沙袋筑填加高、滲漏點加設反濾層等多項應急措施。但局部堤外坡在汛期高速水流和退洪時陡降水位的作用下，發生堤內坡連續崩塌和滑坡現象。堤壩汛前橫斷面圖如圖1所示。

4 模型建立及參數確定

為獲得該河段堤防在高洪水位及陡降水位作用下，其滲流、抗滑穩定的變化規律和原因，選取其中某外坡滑坡段堤防為研究對象，其汛前壩頂寬4.4 m，堤高為8.0 m，內、外坡坡比皆為1∶2，堤壩斷面有限元模型如圖2所示。并采用現場測量、鉆孔取樣室內試驗、現場孔內注水試驗等手段獲得堤壩巖土體物理力學參數，根據堤壩在汛期高洪水位狀態下堤內坡腳滲漏點位置和滲漏量大小，及退洪時水位陡降導致堤內坡滑坡的事實，對計算得出的參數進行校核和修正，最終獲得的堤壩巖土物理力學修正參數見表1。

5 原壩堤數值模擬結果與分析

5.1 有限元滲流數值模擬結果

根據已建立的堤壩有限元物理力學模型，利用Autobank中滲流穩定模塊對汛前原堤壩在設計水位和堤頂水位的滲流穩定性進行模擬計算，其計算結果如圖3、4所示。

圖1堤壩汛前橫斷面圖(單位：m) 圖2堤壩斷面有限元模型

表1 堤壩巖土物理力學修正參數統計表

圖3設計水位狀態下滲流數值模擬結果(高程單位：m) 圖4壩頂水位狀態下滲流數值模擬結果(高程單位：m)

由圖3和4可知，汛前堤壩在壩頂水位和設計水位(保證水位)狀態下，堤壩內側坡腳高程531.0和529.7 m以下范圍滲流坡降皆大于壩體允許滲透坡降0.4，該范圍內堤壩會發生滲透破壞；下游壩腳壩體與堤基接觸帶上堤基滲透坡降最大分別達1.03和0.98，遠大于堤基土體允許滲透坡降0.55，該壩腳接觸地帶會發生滲透破壞。

上述計算結果與汛期下游實際觀測到的散浸位置和范圍，以及壩體壩腳與堤基接觸帶上存在集中滲漏較為一致，表明表1修正后堤壩的巖土物理力學參數較為符合實際。

5.2 有限元抗滑穩定數值模擬結果

采用Autobank中的Bishop模塊對汛前原堤壩的在壩頂水位和水位從壩頂水位陡降至常水位時的抗滑穩定性進行模擬，其計算結果如圖5、6。

由圖5和6可知，汛前堤壩在壩頂水位狀態下，上、下游堤坡穩定性最差的圓弧滑動面穩定性系數分別為1.76和0.88，規范要求堤壩壩坡穩定性系數不低于1.25，即壩頂水位狀態下堤外坡穩定，而堤內坡將發生失穩；水位陡降(設計水位陡降至常水位)狀態下，上、下游堤坡穩定性最差的圓弧滑動面穩定性系數分別為1.17和1.31，即水位陡降狀態下堤外坡失穩，而堤內坡穩定。

上述計算結果與汛期洪水位漫頂時堤內坡發生滑移變形、洪水退卻時堤外坡發生滑坡和垮塌的情況較為一致。

6 加固后堤壩數值模擬結果與分析

汛期，為保證該堤壩不潰堤，搶險時，只做了一些臨時加固措施，如下游加設排水孔和反濾層降低浸潤線、臨時加固上下游壩坡等。汛后，針對該段堤壩的險情現狀，擬采取堤外坡砌筑漿砌石擋墻，墻前加設混凝土防滲面板，并伸入堤基0.5 m。汛后堤壩現狀橫斷面、加固橫斷面及加固橫斷面有限元模型見圖7。

6.1 加固方案滲流數值模擬結果

加固后堤壩在設計水位和壩頂水位的滲流穩定性模擬計算結果如圖8、9所示。

圖5壩頂水位狀態下抗滑穩定數值模擬結果(高程單位：m) 圖6水位陡降狀態下抗滑穩定數值模擬結果(高程單位：m)

圖7 加固堤壩橫剖面圖(單位：m)

由圖8和9可知，加固堤壩在壩頂水位和設計水位(保證水位)狀態下，堤壩內坡腳高程527.7和527.5m以下范圍內滲流坡降皆大于壩體允許滲透坡降0.4，該范圍內堤壩會發生滲透破壞；下游壩腳壩體與堤基接觸帶上堤基滲透坡降最大分別達0.82和0.75，遠大于堤基土體允許滲透坡降0.55，該壩腳接觸地帶會發生滲透破壞，這是由于堤壩和堤基中滲流會在堤內坡腳及堤腳與堤基接觸地帶集中匯聚，水受堤壩與堤基低滲透性土體阻礙無法順暢排出，形成較大滲透力和滲透坡降。且兩個水位狀態下，堤外坡防滲面板底部與堤腳相交地帶其滲透坡降也分別達到了3.43和2.61，遠大于堤基允許滲透坡降0.55，這是因為壩基與防滲面板之間存在接觸空隙，水在高水頭壓力作用下沿著接觸帶向防滲面板后面強透水性、大孔隙率的漿砌石匯聚，且滲流路徑極短，但由于漿砌石內側堤壩及堤基中低滲透性、小孔隙率土體的阻礙無法向下游堤壩滲透，于是在防滲面板、漿砌石和堤基接觸地帶形成了強滲透力和高水力梯度。

基于上述結果，調整了加固方案，延長堤基上防滲面板的長度至3 m；漿砌石底部增設混凝土防滲墊層與防滲面板相連，并向后嵌入至墻后堤基中；漿砌石加固外坡坡腳堤基土；防滲面板、漿砌石和堤基接觸地帶設置從堤基向漿砌石由細變粗的反濾層；下游堤壩內坡腳設置排水體或反濾層加強排水等的補充措施。對加固方案調整后的堤壩在設計和壩頂水位狀態下的滲流穩定性重新進行計算，其壩基土和堤壩填土中最大水力梯度分別為0.47和0.33，低于堤壩和堤基允許滲透坡降0.40和0.55。可見，調整后加固設計方案是可行的。調整后加固設計方案在設計水位和壩頂水位的滲流穩定性模擬計算結果如圖8、9所示。

6.2 加固方案堤壩抗滑穩定分析

調整加固方案后堤壩在壩頂水位和水位從壩頂水位陡降至常水位兩種狀態下的抗滑穩定性模擬計算結果如圖12、13所示。

圖8加固后堤壩在設計水位狀態下滲流數值模擬結果 圖9加固后堤壩在壩頂水位狀態下滲流數值模擬結果

圖10調整后加固設計方案在設計水位狀態下滲流數值模擬結果 圖11調整后加固設計方案在壩頂水位狀態下滲流數值模擬結果

圖12調整后加固設計方案在壩頂水位狀態下抗滑穩定數值模擬結果 圖13調整后加固設計方案在水位陡降狀態下抗滑穩定數值模擬結果

由圖12和13可知，調整加固方案后堤壩在壩頂水位狀態下，上、下游堤坡穩定性最差的圓弧滑動面穩定性系數分別為2.72和1.40，即壩頂水位狀態下堤外、內坡皆穩定；水位陡降(壩頂水位陡降至常水位)狀態下，上、下游堤坡穩定性最差的圓弧滑動面穩定性系數分別為1.51和1.48，即水位陡降狀態下堤外、內坡也是穩定的。該計算結果表明，調整加固方案后堤壩在壩頂水位和水位陡降狀態下外、內堤坡處于穩定狀態。調整后的加固方案是可行的。

7 結 論

本文通過對湘江某堤壩在汛期設計水位、壩頂水位以及水位由壩頂水位陡降至常水位工況下，加固前后堤壩的穩定性進行了有限元分析研究，而且通過對汛期不同水位的實測堤壩險情情況，校正模擬計算參數，并調整加固方案，然后對設計的加固方案進行了可行性分析。得出以下結論：

(1) 汛期堤壩在外河設計、壩頂水位狀態下，堤內坡腳高程531.0和529.7 m以下范圍發生滲透破壞，表現為內坡腳大面積散浸與集中滲漏。

(2) 堤壩在外河壩頂水位時，內坡失穩；水位陡降時，外坡失穩。

(3) 加固堤壩在壩頂水位和水位陡降工況下內、外堤坡抗滑穩定；但在設計水位和壩頂水位時堤內、外坡腳會發生滲透破壞，調整加固方案后重新計算，加固堤壩滿足滲流和抗滑穩定要求，調整后的加固設計方案是可行的。

(5) 江河湖堤壩在汛期一旦失穩，后果極其嚴重，本文僅對汛期和汛后堤壩的穩定性進行研究，但汛期預警和搶險也極為重要，應加強相關理論和實踐的研究。