堤防加固工程滲流穩(wěn)定和堤坡穩(wěn)定計(jì)算與措施

閆 磊

（駐馬店市練江河水務(wù)中心）

1 工程概況

堤防工程建于20 世紀(jì)50 年代，設(shè)計(jì)堤頂高程67.00 m，堤頂寬度3～4 m。1963年大汛時(shí)人為扒口，目前已遭破壞，大部分堤身已被夷為平地，僅靠近河道右堤部分留有痕跡。堤防工程處于東亞溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季為極地大陸氣團(tuán)所控制，多西北風(fēng)，干冷少雨；夏季因太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)北上，盛行偏南風(fēng)。

2 堤防加固工程計(jì)算

2.1 滲流穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》，滲流穩(wěn)定應(yīng)進(jìn)行以下判斷及計(jì)算：土的滲流變形類型，堤身及堤基土體的滲流穩(wěn)定；進(jìn)行堤防背水側(cè)滲流出逸段滲流穩(wěn)定。

根據(jù)河道右堤堤基地質(zhì)勘察資料，在12.00 m的鉆探深度內(nèi)，均為第四紀(jì)沖積地層（Q4al），分布較穩(wěn)定，自上而下分別為：②黃色重粉質(zhì)壤土（Q4al）該層平均厚度4.10 m，滲透系數(shù)平均值為1.85×10-5cm/s，屬弱透水；該單元不固結(jié)不排水剪粘聚力可采用16 kPa，摩擦角可采用20°；③黃色重粉質(zhì)壤土（Q4al）該層平均厚度3.00 m，滲透系數(shù)平均值為7.50 ×10-6cm/s，屬弱透水；④黃色細(xì)砂（Q4al）該層平均厚度1.30 m，滲透系數(shù)可采用5.0×10-3cm/s，為中等透水性。地基中②及③均為弱透水地基，④為中等透水性。兩層的滲透系數(shù)之比＞100 應(yīng)按均質(zhì)土堤在雙層地基上進(jìn)行滲流計(jì)算。

無(wú)限長(zhǎng)雙層地基公式如下。

CD段：

BC段：

式（1）（2）（3）中：h－弱透水底板承壓水頭（m）；A－越流系數(shù)；k1－弱透水地層滲透系數(shù)（cm/s）；k0－強(qiáng)透水地層滲透系數(shù)（cm/s）；T0－強(qiáng)透水地層厚度（m）；T1－弱透水地層厚度（m）。

滲流計(jì)算選取參數(shù)詳見表1，計(jì)算結(jié)果詳見表2。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》可知，堤基土有可能發(fā)生流土滲透變形，其流土型滲透變形的臨界水力比降所要采用計(jì)算公式如下：

式中: Jcr —土的臨界水力比降；Gs —土的比重；n —土的孔隙率（%）。

根據(jù)土工試驗(yàn)資料可以知道：第⑵單元Gs 為2.73，n 為40.44%堤基土允許水力比降為：J允許=Jcr/m （5）

表1 滲流計(jì)算參數(shù)表

表2 堤身滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

式中: J允許—堤基土允許水力比降；m—安全系數(shù)，取2.00。

將Jcr、m 值代入式中求得第⑵單元粉質(zhì)粘土J允許=0.51。計(jì)算結(jié)果表明：堤后靠近堤腳處滲透坡降最大，但仍小于堤基土允許水力比降，滿足滲流穩(wěn)定要求，不需要進(jìn)行地基處理。

2.2 堤坡穩(wěn)定計(jì)算

由于堤防較長(zhǎng)，堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算選取堤身較高的堤段作為典型斷面進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，右堤堤身土體主要為就地取材人工填土重粉質(zhì)壤土（Q4al），堤基為第⑵單元重粉質(zhì)壤土（Q4al）。申店隔堤堤基為第⑵單元重粉質(zhì)壤土（Q4al）。

各土層物理力學(xué)指標(biāo)詳見表3。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用瑞典圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行計(jì)算，分為正常工況和非常工況。

2.2.1 正常工況

根據(jù)河道行洪特點(diǎn)及蓄滯洪區(qū)運(yùn)用情況，河道在行洪時(shí)基本不存在驟降情況，且當(dāng)蓄滯洪區(qū)啟用時(shí)，水位較高，一般滯蓄洪水時(shí)間均在15 d以上，基本能夠形成穩(wěn)定滲流，當(dāng)蓄滯洪區(qū)退洪時(shí)，一般退水時(shí)間均在10-15 d 左右，基本不存在水位驟降，不再對(duì)該工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算設(shè)計(jì)水位下穩(wěn)定滲流期的背水坡堤坡。即：衛(wèi)河右堤設(shè)計(jì)行洪水位時(shí)背水側(cè)堤坡。申店隔堤設(shè)計(jì)滯洪水位時(shí)穩(wěn)定滲流期背水側(cè)堤坡。

2.2.2 非常工況

非常工況復(fù)核施工期的臨水側(cè)、背水側(cè)堤坡。由于土體抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法的不同導(dǎo)致土堤堤坡穩(wěn)定計(jì)算方法也有不同，有總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法二種計(jì)算方法。

2.1.2.1 總應(yīng)力法

施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中：b－條塊寬度（m）；W－條塊重力（kN）；β－條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角(度)；φμ－土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2.1.2.2 有效應(yīng)力法

穩(wěn)定滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中：W1－在堤坡外水位以上的條塊重力（kN）；W2－在堤坡外水位以下的條塊重力（kN）；Z－堤坡外水位高于條塊底面中點(diǎn)的距離(m)；u－穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力(kPa)；β－條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角(度)；φ，、c，、φμ、cμ－土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。計(jì)算成果見表3。

表3 堤防堤坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

以上結(jié)果可以看出，各堤防斷面迎水坡和背水坡的安全系數(shù)，均大于規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，滿足穩(wěn)定要求。

3 堤防加固工程措施

結(jié)合堤防兩岸道路情況布設(shè)上下堤路口8 處。隔堤穿路段設(shè)置上下堤坡道。為防止上下堤坡道損壞堤身及堤頂?shù)缆罚Y(jié)合防汛管理，考慮原道路情況，對(duì)上下堤坡道硬化為混凝土路面，路面縱坡≤10%。上下堤坡道路基層采用15 cm 厚石灰穩(wěn)定土，面層采用20 cm厚C25混凝土，路面寬3.50 m。

對(duì)于護(hù)坡形式選擇要堅(jiān)持因地制宜的原則，對(duì)防洪標(biāo)準(zhǔn)高及對(duì)景觀要求較高的河段可采用雷諾墊、混凝土格柵網(wǎng)等生態(tài)護(hù)坡；對(duì)防洪要求低、洪水量、流速等較小地段可采用經(jīng)濟(jì)性較好的草皮護(hù)坡。總之要做到既經(jīng)濟(jì)與實(shí)用，又要美觀，相統(tǒng)一。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在水利工程項(xiàng)目中，要對(duì)堤防加固工程予以重視，在堅(jiān)持安全性、整體性以及因地制宜的原則上，提升施工質(zhì)量。文章根據(jù)工程概況，工期、施工難度、造價(jià)等方面，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，綜合分析后選定堤防加固方案，做到理論結(jié)合實(shí)際，在實(shí)際施工時(shí)還需要根據(jù)各地段特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)和施工單位應(yīng)緊密協(xié)調(diào)，做到靈活應(yīng)對(duì)。堤防加固工程建成后，對(duì)治理河段人民生命和財(cái)產(chǎn)安全、改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境以及地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都將起到重要作用。