護岸工程岸坡穩定計算工況研究

尚欽 潘文浩 周冬妮

摘要：在護岸工程設計中，岸坡穩定計算工況的確定缺少明確規范依據，參照其他相關規范擬定的計算工況不符合工程實際，導致計算結果不夠準確。為了全面分析實際工程中岸坡穩定遭遇的工況，科學指導護岸工程設計，針對河道岸坡復雜的水土邊界條件，通過對水位、降雨、滲流、荷載等相關影響因素的綜合分析，提出了相對合理、簡便、明確的護岸工程岸坡計算工況擬定方法。結合長江中下游河道岸坡具體情況，給出了部分重點河段的推薦計算工況和控制參數。研究結果對護岸工程岸坡穩定計算具有參考價值。

關鍵詞：護岸工程; 岸坡穩定; 水位驟降; 沖刷坑; 高地下水; 長江中下游

中圖法分類號：TV861 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.011

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0058 - 05

0 引 言

護岸工程岸坡穩定問題主要研究的是灘唇直至岸坡坡腳，當堤外無灘時，與堤防一體作為整體考慮[1]。現行規范GB 50707-2011《河道整治設計規范》和GB 50286-2013《堤防工程設計規范》中的坡式護岸岸坡穩定均是參照了堤防工程，但對計算工況及相應安全系數未單獨做明確說明。張寧[2]、張晨等[3]對水位驟降工況下滲流因素對岸坡穩定的影響進行了分析，承宇等[4]也對降雨因素展開了研究，但均未提出具體的工況擬定方法。目前，工程設計人員對于岸坡處理主要還是根據經驗，并參照堤防工程，導致具體計算處理的主觀性較大，標準并不統一。

本文針對河道岸坡水土邊界條件復雜的情況，通過剖析規范中的設計工況，排除了針對性不強的計算工況，增補了針對護岸工程的特殊工況，明確提出了一般性控制工況及擬定方法。同時，結合長江中下游河道岸坡的具體情況，提出了合理、簡便的計算工況和相關參數處理建議。

1 計算工況分析

1.1 參照堤防工程的計算工況

參照GB 50286-2013《堤防工程設計規范》，計算工況分為正常運用條件和非常運用條件兩類[5]（表1）。

上述參照工況對護岸工程并不適用。這是因為：① 護岸工程主要分布在灘唇前沿，不存在背水側穩定問題;② 灘面高程一般低于設計洪水位，小幅的設計洪水位驟降基本不改變岸坡受力條件;③ 岸坡坡腳可能發生沖刷，改變了計算的邊界條件，而上述工況未考慮這種情況。

1.2 護岸工程計算工況

針對護岸工程特點，應擬定更貼合工程實際的計算工況（表2），具體如下。

（1） 正常運用工況。對于水位驟降期的臨水側岸坡，應從灘唇至設計枯水位之間選擇一個水位和相應一定時段的驟降高度，以兩者之間最危險遭遇作為計算條件。設計枯水位穩定滲流期的臨水側堤坡穩定作為其中的一個特殊組合。

（2） 非常運用工況。① 施工期的臨水側岸坡。對于無填方或對岸坡土體擾動較小的挖方護岸，該工況基本等同于設計枯水位穩定滲流期的臨水側岸坡工況。② 多年平均水位時遭遇地震的臨水側堤坡。③ 考慮坡腳沖刷后地形變化的水位驟降期臨水側堤坡。由于沖刷后地形是按照可能最大沖刷坑深度預測的，鑒于發生最大沖刷深度的風險概率不好評估，且目前預測手段準確性不高，將該工況作為非常運用工況較為合適。④ 多雨地區，考慮枯水期長期降雨的臨水側堤坡。該工況是從灘唇至設計枯水位之間選擇一個水位和相應時段由于長期降雨而產生的高地下水位，以兩者之間最危險遭遇作為計算條件。該工況與水位驟降工況計算條件類似，只是產生原因和遭遇情況不同。

綜上所述，計算工況中最為復雜的是：① 正常運行條件下，水位驟降期臨水側岸坡;② 非常運用條件下，考慮坡腳沖刷后地形變化的水位驟降期臨水側岸坡;③ 非常運用條件下，多雨地區考慮枯水期長期降雨的臨水側岸坡。本文將對上述工況進行具體分析。

2 水位驟降期臨水側岸坡工況

2.1 確定方法

由于各河段水文氣象情況、灘地地形地質條件不同，對于水位和驟降高度、水位和高地下水的最危險遭遇，還需進一步分析研究。長江中下游河道岸坡地質結構一般可分為單層結構、雙層結構及多層結構，其中，又以雙層的二元結構為主。地質結構對滲流影響較大，但在研究水位驟降期（一般不超過30 d）不穩定滲流時，驟降幅度一般都不大，且處于土層分層的情況不多，一般多為單一土層。因此，本研究假定驟降幅度內為單一土層。

選取宜昌、枝城、監利、鄂州、武穴、九江、南京等地典型岸坡進行分析研究。對于水位驟降工況，研究基本技術路線見圖1。

根據岸坡非穩定滲流計算成果，驟降工況下岸坡土體的非穩定滲流主要受滲透系數的影響。土體滲透系數大于1×10-3? cm/s時，岸坡土體內浸潤線基本可跟長江水位同步驟降，因此可以不考慮水位驟降;隨著土體滲透系數的減小，浸潤線降低滯后于長江水位降落的時間逐漸增大，詳見表3。而且，在時段末期浸潤線下降速率明顯減緩。同時，地下水位對岸坡抗滑穩定影響的敏感性分析表明，在時段末期，地下水位對岸坡抗滑穩定安全系數的影響也較小[6]。

2.2 確定結果

三峽工程建成后十余年來，通過分析長江中下游沿線水文（位）站歷史逐日水位資料，確定了水位驟降期臨水側岸坡計算工況如下。

（1） 宜枝河段。在平灘水位至設計枯水位之間3，7，15 d的最大驟降分別可達3.1，3.9 m和4.7 m。越接近設計枯水位的最大驟降高度越小，一般15 d內不超過2.0 m。同時，該河段岸坡土體一般為二元結構，上層為粉土或粉細砂、粉質壤土互層（滲透系數為i×10-4～i×10-5? cm/s，i為1～9），下層為砂、卵、礫石。根據典型斷面各水位和驟降高度組合工況下抗滑穩定計算結果，并綜合各方面因素影響，大體上確定從設計枯水位+6.0 m驟降4.0 m為最危險工況;對局部黏性土岸坡，從設計枯水位+7.0 m驟降5.0 m為最危險工況。

（2） 下荊江河段。在平灘水位至設計枯水位之間，3，7，15 d的最大驟降分別可達1.6，3.2 m和3.8 m。越接近設計枯水位的最大驟降高度越小，一般15 d內不超過2.0 m。同時，該河段岸坡土體一般為二元結構，上層為粉土或粉質黏土（滲透系數i×10-5～i×10-6? cm/s，i為1～9），下層為粉細砂或砂礫石。根據典型斷面各水位和驟降高度組合工況下抗滑穩定計算結果，并綜合各方面因素影響，大體上確定對粉土從設計枯水位+5.0 m驟降3.0 m為最危險工況;對黏性土，從設計枯水位+6.0 m驟降4.0 m為最危險工況。

（3） 鄂黃河段。在平灘水位至設計枯水位之間，3，7，15 d的最大驟降分別可達1.0，2.7 m和3.6 m。越接近設計枯水位的最大驟降高度越小，一般15 d內不超過1.5 m。同時，該河段岸坡土體一般為二元結構，上層為粉土或粉質黏土（滲透系數i×10-5～i×10-6? cm/s，i為1～9），下層為粉細砂或粉質黏土。根據典型斷面各水位和驟降高度組合工況下抗滑穩定計算結果，并綜合各方面因素影響，大體上確定對粉土從設計枯水位+4.0 m驟降3.0 m為最危險工況;對黏性土，從設計枯水位+4.5 m驟降3.5 m為最危險工況。

（4） 龍坪河段。在平灘水位至設計枯水位之間，3，7，15 d的最大驟降分別可達1.0，2.0 m和3.5 m。越接近設計枯水位的最大驟降高度越小，一般15 d內不超過1.2 m。同時， 該河段岸坡土體一般為二元結構，上層為粉土或粉質黏土（滲透系數i×10-5～i×10-6? cm/s，i為1～9），下層為粉細砂或粉質黏土。根據典型斷面各水位和驟降高度組合工況下抗滑穩定計算結果，并綜合各方面因素影響，大體上確定對粉土從設計枯水位+3.5 m驟降2.0 m為最危險工況;對黏性土， 從設計枯水位+4.5 m驟降3.5 m為最危險工況。

長江中下游重要河段典型斷面水位驟降和計算工況的確定分別見表4，5。

總體上看，對于長江中下游沿岸，自上游向下游最危險水位驟降工況的水位降幅逐漸減小，對應的降后水位越來越接近設計枯水位。但對于大通以下的感潮河段，由于受潮流作用影響，驟降工況應取設計枯水期與相應最大潮差的組合作為最危險工況。

3 考慮坡腳沖刷地形變化的沖深計算

關于最大沖刷坑深度的計算，筆者曾做過專門的分析[7]。本文從工程設計角度提出相對準確并有一定安全裕度的工程設計處理方法，主要分為以下3種情況。

（1） 對于河勢基本穩定的河段，河道斷面是長期沖淤變化的結果，一般已基本穩定，深泓處很難再形成較大沖刷坑[8-9]。此類河段護岸工程僅是維護性的加固工程，以應對年內、年際沖淤變化而造成的護岸材料流失。在工程設計上，為了保證安全性，可設置一定方量的防沖備填石。對于長江中下游，填石可取5～10 m3，并根據斷面位置的歷史最大沖深確定方量，接近歷史最大沖深取小值，反之取大值，而不必計算沖刷坑深度。

（2） 對于總體河勢發生重大調整，深泓擺動甚至易岸的情況，可參照包爾達可夫局部沖刷公式計算最大沖刷坑深度，并綜合考慮河道演變成果，兩者取大值。

（3） 對于總體河勢雖未發生重大調整，但一岸或兩岸發生持續沖刷的情況，工程設計中可參照包爾達可夫局部沖刷公式計算最大沖刷坑深度，并綜合考慮河道演變成果，兩者取小值。

研究河段演變的數學模型和物理模型成果可作為參考[10-11]，使上述處理方法更加完善和準確。

4 考慮枯水期長期降雨的臨水側岸坡工況

對于枯水期長期降雨工況，主要是根據長江水位與同期降雨量的對比分析來確定最危險遭遇情況。

4.1 降雨特征

長江流域屬北亞熱帶季風區，氣候溫和、濕潤多雨、雨熱同季、四季分明、冬冷夏熱。長江流域主要氣候特征包括：冬季寒潮大風、春季低溫陰雨、初夏梅雨、盛夏高溫、秋季秋高氣爽等。

長江流域降水量年內分配不均，主要集中在3～10月，暴雨出現時間一般中下游早于上游，江南早于江北。暴雨分布的一般規律為：5月雨帶主要分布在湘、贛水系;6月中旬至7月中旬雨帶徘徊于長江干流兩岸，中下游為梅雨季節，上游雨帶呈東西向分布，江南雨量大于江北;7月中旬至8月上旬，雨帶移至四川和漢江流域，上游除烏江降水略有減少外，其他地區都有所增加，主要雨區在四川西部呈東北、西南向帶狀分布;8月中下旬，雨帶北移至黃河、淮河流域;9月雨帶又南旋回至長江中上游，長江上游降水中心從四川西部移到東部，川西雨量大為減少。

長江中下游南岸2～3月就開始有暴雨出現，而漢江、嘉陵江、岷江、沱江、烏江則4月才開始出現暴雨;雅礱江和大渡河部分地區只有在7，8月才有暴雨發生。暴雨結束時間與開始時間相反，自流域西北向東南推遲。長江上游和中游北岸大多于9～10月結束，長江中下游南岸多于11月結束。

4.2 水位特征

長江中下游多年逐月平均水位以12月至次年2月為最枯，5～10月為汛期，水位持續較高，3～4月為漲水期，11月快速回落。因此，3月和4月將出現枯水期水位與長期降雨造成的高地下水的最危險遭遇工況。

根據三峽工程建成后十余年的沿線水文（位）站3月和4月資料，多年平均水位大體高于設計枯水位2～3 m。根據沿岸的一些已建工程的歷史地勘資料，岸灘附近地下水位一般高于同期長江水位0～2 m，最高可高于3～4 m。因此，枯水期長期降雨工況雖然與水位驟降工況發生原因不同，但計算條件組合上有較大重合性。

5 結論和建議

水位驟降工況是岸坡抗滑穩定的控制性工況。如果岸坡坡腳沖刷嚴重，非常運用條件下，坡腳沖刷后地形變化的水位驟降期的臨水側岸坡穩定是最危險工況。工況的確定與水文氣象情況、灘地地形地質條件密切相關，組合條件非常復雜，本文選取了一些有代表性的典型斷面進行初步分析計算。對于具體工程設計，還應根據實際情況進行詳細分析計算，不能簡單套用本文結果。

此外，工程設計中，應充分重視岸坡反濾排水的布置。對于黏性土的填方岸坡，應設置褥墊排水，最好選擇排水性較好的砂性土作為回填土料;對于黏性土的挖方岸坡，應確保貼坡排水功能，間隔布設排水溝、導濾溝等，應選擇透水材質護坡型式;對于砂性土岸坡，還應注重反濾保土，尤其是腳槽部位。

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Study on calculation conditions of bank slope stability of revetment project

SHANG Qin， PAN Wenhao， ZHOU Dongni

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan? 430010， China）

Abstract： In the design of revetment engineering， there is no clear specification basis for the determination of bank slope stability calculation conditions. The calculation conditions formulated with reference to other relevant specifications do not accord with the engineering practice， resulting in inaccurate calculation results. In order to comprehensively analyze the working conditions encountered by the bank slope stability in the actual project and scientifically guide the design of bank protection project， aiming at the complex water and soil boundary conditions of river bank slope， through the comprehensive analysis of relevant influential factors such as water level， rainfall， seepage， load and so on， a relatively reasonable， simple and clear formulation method of bank slope calculation working conditions of bank protection project was proposed. Combined with the specific situation of the bank slope of the middle and lower reaches of the Yangtze River， the recommended calculation conditions and control parameters of some key river sections were given. The research results have reference value for bank slope stability calculation of revetment engineering.

Key words： revetment engineering; bank slope stability; sudden drop of water level; scour pit; high ground water; middle and lower reaches of Yangtze River