防洪堤邊坡穩定計算方法研究
——以梅州市五華縣增塘堤升級改造工程(二期)為例

鄒國業

(五華縣附城堤防事務所，廣東 五華 514400)

1 項目背景

本項目位于梅州市五華縣琴江右岸，琴江河流域面積為2 871 km2，主河道長136.50 km，河道平均坡降為1.10‰。本工程控制斷面上壩水電站攔河坡控制集水面積為2 841 km2，占琴江流域面積的99%。梅州市五華縣增塘堤升級改造工程(二期)改造堤防總長1.847 km。升級改造內容主要為防洪工程，堤防工程設計防洪標準為50年一遇，堤防工程等級為2級。項目完成后，將進一步提升五華縣城的防洪安全，促進基礎設施完善，改善流域生態環境，促進區域長治久安[1]。

2 計算斷面選擇

壩身邊坡穩定分段計算主要以地表至堤基下一定范圍內的土體地質巖性資料為主要依據，同時考慮地下水位及堤防填方高度情況，盡量使每段內各項物理力學參數相近[2-3]。針對本文所述案例，右堤選取5個典型斷面進行計算，分別為R01、R02、R03、R04、R05；左堤選2個典型斷面進行計算，分別為L01和L02。壩身邊坡穩定計算采用的各材料物理力學性質指標見表1。

表1 物理力學性質指標表

在本文所述案例中，由于雜填土、素填土不是天然地層，僅在地表零星分布且厚度很小，因此在計算沖刷深度時不考慮其影響；成層分布的有角礫和礫砂兩層，其他地層呈透鏡體分布，故沖刷深度的計算以角礫和礫砂為主；從地質剖面圖來看，鉆孔揭露的基巖位于設計河底線以下2.3 m或更多，且巖體自身在承載力、抗沖刷、防滲及抗滲變方面均遠優于上覆砂卵礫石層，因此可以不考慮基巖地層的抗沖刷和滲透穩定問題[4]。

3 滲流穩定計算方法

本文所述案例為堤塘升級改造工程，屬于堤防新建及加固工程，主要采用礫砂、角礫填筑，堤基主要為礫砂、角礫等。堤身、堤基滲透破壞類型主要為管涌，礫砂、角礫的允許水力比降值分別為0.18、0.17。

在出逸坡降計算過程中，滲流采用有限元數值分析方法計算，應用河海大學工程力學研究所研制Autobank7.0軟件程序進行計算，該程序假定滲透介質不可壓縮，滲流符合達西定律[5-6]。計算域內沒有源密度的情況，各向異性連續介質二維穩定滲流場的控制方程為：

式中：H為滲流場的水頭；kx、ky為主滲透方向的滲透系數。

邊界條件如下：

已知水頭邊界：H(x,y)|Γ1=Φ(x,y)

滲流逸邊界：H=Z

根據泛函與變分原理，將計算區域劃分為有限個單元，單元任意點水頭由單元結點水頭插值確定，通過對單元集成，建立代數方程組，求解方程組可得到滲流場的數值解即各結點的水頭值，進而可進行滲透比降和滲流量的計算[7-8]。根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)滲流及滲透穩定計算中規定，滲透穩定計算工況主要分兩種情況考慮[9-10]。

工況1：河道設計水位正常運行，堤外無水，需復核堤防背水坡穩定。

工況2：河道設計水位非正常運行，附加地震荷載，需復核堤防臨水、背水側堤坡。

當實際出逸坡降大于允許滲流坡降時，可能發生滲透破壞，應采取措施；反之，則不會發生滲透變形。

4 邊坡抗滑穩定方法

邊坡穩定分析采用瑞典圓弧法，采用河海大學Autobank7.0軟件計算[11-12]，計算原理如下：

式中：K為某滑弧的安全系數；ci、φi分別為土條的凝聚力和內摩擦角；αi為土條底面中點切線與水平線的夾角；li為土條長度；bi為土條寬度；Wi為土條重。

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)，3級堤防邊坡允許最小安全系數在正常工作條件下取1.20，在非正常運用條件下取1.05；4級堤防邊坡允許最小安全系數在正常工作條件下取1.15，在非正常運用條件下取1.00。邊坡穩定分析計算主要分兩種情況考慮[3,13]。

工況1：河道設計水位正常運行，堤外無水，需復核堤防迎水坡、背水坡穩定。

工況2：河道設計水位非正常運行，附加地震荷載，需復核堤防臨水、背水側堤坡。

本河道段灘地設計水深較淺，水位驟降對渠道邊坡影響較小，故不進行河道設計水位驟降期的堤坡穩定計算。

5 結果分析與措施研究

針對梅州市ZT防洪堤升級改造工程，按上述方法和條件對本段渠道典型斷面進行防洪堤滲透穩定、邊坡穩定計算，Autobank7.0軟件計算結果見表2。

表2 防洪堤滲透穩定、邊坡穩定計算結果表

根據表2中結果可知，ZT防洪堤右堤R01、R02、R04和左堤L02典型斷面堤防的出逸比降不滿足其土壤類型的允許水力比降值，其余斷面滿足規范要求。右堤R02、左堤L02典型斷面的邊坡穩定安全系數不滿足規范要求，其余斷面滿足規范要求。不滿足穩定要求的各典型斷面示意圖見圖1-圖4。

圖1 右堤R01斷面浸潤線及滑弧

圖2 右堤R02斷面浸潤線及滑弧

圖3 右堤R04斷面浸潤線及滑弧

圖4 左堤L02斷面浸潤線及滑弧

針對滲透穩定、邊坡穩定不滿要求的斷面采取處理措施如下：

右堤R02斷面：背水坡后的大坑回填至現狀地面線。

左堤L02斷面：背水坡后填高約1.6 m，長約38.5 m，與現狀地面線相連。

右堤R01、R04兩個斷面：背水坡設置戧臺。R01戧臺尺寸為長22 m、厚1.6 m；R04戧臺尺寸為長30 m、厚1 m。

經工程措施處理后的斷面邊坡穩定及滲流穩定計算結果見表3。

表3 防洪堤升級改造后滲透穩定、邊坡穩定計算結果表

根據表3中結果可知，ZT防洪堤經過升級改造后，其右堤R01、R02、R04及左堤L02典型斷面滲透穩定、邊坡穩定計算結果均能滿足規范要求。經升級改造后的各典型斷面示意圖見圖5-圖8。

圖5 升級改造后右堤R01斷面浸潤線及滑弧

圖6 升級改造后右堤R02斷面浸潤線及滑弧

圖7 升級改造后右堤R04斷面浸潤線及滑弧

圖8 升級改造后左堤L02斷面浸潤線及滑弧

為保證河道主槽穩定，同時不會對防洪堤防洪效果造成影響，本文運用上述方法將河道主槽典型斷面防洪堤滲透穩定、邊坡穩定進行同步計算。《河道整治設計規范》(GB 50707-2011)8.4.3款規定，在河道擴挖和疏浚設計時，應根據水流條件、地形地質條件，參照現行國家標準《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)的附錄F進行穩定計算后，確定相應的坡比[14-15]。河道主槽計算斷面選擇、滲流穩定計算方法、邊坡抗滑穩定方法與防洪堤邊坡穩定計算方法相同，在此不作贅述。計算結果見表4。

表4 主槽邊坡穩定計算結果表

根據計算結果可知，河道主槽典型斷面的邊坡穩定安全系數滿足規范要求，可不再額外進行工程加固。

根據本文研究案例及主要計算結果可知，本文所述土體級配斷面劃分法、各向異性連續介質二維穩定滲流場計算法、Autobank7.0輔助瑞典圓弧計算法在斷面選擇、滲流穩定計算、邊坡抗滑穩定計算、河道主槽穩定計算等方面應用效果較好，具有一定的適用性與準確度。