徐州市大沙河河道治理工程邊坡穩(wěn)定性分析

◎ 劉攀 郭連峰 紀(jì)鳳杰 王朝 黃偉

1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.鹽城市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司

黃泛區(qū)形成的寬淺漫灘河流，河道兩岸大多由黃河沖積的粉砂構(gòu)成，地勢高亢，土地瘠薄，河床因自然沖積形成，寬淺彎曲，兩岸堤身單薄，且殘缺不全，汛期洪水行洪不暢，經(jīng)常漫溢成災(zāi)[1]。平時(shí)河床無水時(shí)，飛砂彌漫，一遇來水又極易沖蝕，造成嚴(yán)重水土流失和淤積河湖。河道淤積影響排澇、行洪需要進(jìn)行清淤疏浚，但是在清淤過程中會(huì)影響河道邊坡的穩(wěn)定性。前人對一般邊坡穩(wěn)定性研究進(jìn)行了充分研究[2,3]，但是針對黃泛區(qū)的河道岸坡研究較少，本文以黃泛區(qū)大沙河為研究對象，對河道治理工程邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評價(jià)，同時(shí)為同類型的研究提供一定的參考。

1.工程概況

本次治理大沙河長32.6k m，河道底寬5 0 ～1 9 0 m，河底高程34.0m～30.0m，邊坡1:3～1:4，現(xiàn)狀灘面高程39.8～35.0m，寬約50～200m，李莊閘下入湖口處，局部相對較窄，甚至無灘面。兩岸堤防基本連續(xù)，堤防一般高3～5m，堤頂高程43.0～40.0m，堤頂寬度2～5m，邊坡1:3。根據(jù)現(xiàn)場勘查，堤身無裂縫、塌陷、跌窩等險(xiǎn)情不良工程現(xiàn)象，但沿線堤防主要存在堤防沿線建筑物及穿堤道路位置多存在堤防缺口等問題。

2.堤防岸坡設(shè)計(jì)

2.1 堤型的確定

本次治理河道中心線基本沿原河口中心線走向，向兩側(cè)開挖，開挖河道中心線與原河道中心線基本一致或與原河道中心線基本保持平行[4]。針對微彎段進(jìn)行適當(dāng)切角抹彎。為了減少工程量，彎道段基本維持現(xiàn)狀彎道半徑，不作裁彎取直。

河道堤線的布置應(yīng)根據(jù)河流走勢，以河道洪水流向?yàn)橹鳎M可能兼顧原有河道和河岸線的彎曲形態(tài)，保留原有彎直河道，在原有河槽基礎(chǔ)上固定凹岸，并充分利用原存河岸及河道兩側(cè)人工建筑物等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)上下游平順銜接，以確保分洪安全和河勢穩(wěn)定[5]。

根據(jù)該河道堤防的特點(diǎn)、堤址地質(zhì)條件、復(fù)堤土料、工程結(jié)構(gòu)及填筑方式，確定設(shè)計(jì)堤型為均質(zhì)土堤，復(fù)堤土料為河道開挖土方，堤頂寬度為10m，迎水坡為1:4、背水坡為1:4。

2.2 河道邊坡高程計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013），堤防高程按設(shè)計(jì)洪水位加堤身超高確定，堤身超高計(jì)算如下：

式中：Y為堤身超高/m；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度/m；R為設(shè)計(jì)波浪爬高/m；A為安全加高/m，本文治理河道屬于3級堤防，所以取A=0.7m。

在確定江河等內(nèi)陸水域堤防高程時(shí)，非常有必要考慮風(fēng)壅水高度。在有限風(fēng)區(qū)下的風(fēng)壅水面高度可以按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，大沙河以東南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，風(fēng)向與波浪近似認(rèn)為同一方向，按照計(jì)算波浪的風(fēng)速20.0m/s確定；K為綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；F為風(fēng)區(qū)長度，計(jì)算點(diǎn)風(fēng)區(qū)長度為600m；β為計(jì)算風(fēng)向與堤岸軸線法線的夾角，取β=45°。河道20年一遇設(shè)計(jì)水位至設(shè)計(jì)灘面的平均水深為2m左右，經(jīng)計(jì)算得到e=0.02。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）。在風(fēng)的直接作用下，正向來的波在單一斜坡上的波浪爬高的計(jì)算公式如下：

根據(jù)風(fēng)壅水面高度和波浪爬高計(jì)算，堤防超高Y=0.02+0.62+0.7=1.34m，為了安全保留，取Y=1.5m。

3.河道邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 滲流穩(wěn)定計(jì)算

水在土體內(nèi)滲透會(huì)引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的改變，從而引起土體內(nèi)部原有的穩(wěn)定條件發(fā)生變化，造成滲透破壞，同時(shí)土體滲透性的強(qiáng)弱，對土體的固結(jié)、強(qiáng)度發(fā)展及工程施工都有很大的影響。根據(jù)Darcy定律和滲流連續(xù)方程，對于飽和—非飽和土體中的滲流，連續(xù)方程如式（4）所示。

選取河道深度相對較大、地質(zhì)復(fù)雜斷面樁號5+050左岸、20+560左岸、29+200右岸、54+100左岸和57+500右岸作為典型斷面進(jìn)行滲透計(jì)算作為典型斷面進(jìn)行滲流計(jì)算，該斷面各土層的滲透系數(shù)和相關(guān)地質(zhì)參數(shù)詳見地質(zhì)勘查報(bào)告，這里不再贅述。

場地內(nèi)第①層砂壤土夾粉砂滲透變形破壞類型為流土型，建議允許水力比降為0.30，通過計(jì)算河道邊坡滲透穩(wěn)定計(jì)算來判定岸坡是否發(fā)生破壞，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 河道邊坡滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3.2 邊坡抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

河道邊坡分析施工期和行洪穩(wěn)定滲流期臨水側(cè)堤坡的穩(wěn)定性，采用瑞典圓弧條分法計(jì)算抗滑安全系數(shù)。其基本原理是：當(dāng)土體發(fā)生破壞時(shí)，土中應(yīng)力條件比較復(fù)雜，滑面上各點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度分布同該點(diǎn)法向壓力有關(guān)且是不均勻的。將滑移體進(jìn)行垂直條分，忽略土條兩側(cè)條間力，假設(shè)土體內(nèi)的圓弧破壞面的土體均繞一個(gè)圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)其滑動(dòng)力矩大于抗滑力矩時(shí)，則邊坡不穩(wěn)，反之，邊坡穩(wěn)定性良好，瑞典條分法計(jì)算公式見式（5）。

式中：FS為安全系數(shù)；MR為滑移面上土條抗滑力矩之和；MT為滑移面上土條抗滑動(dòng)力之和；Wi為第i塊土條的質(zhì)量；αi為第i塊土條剪切面與水平面的夾角，φi為第i塊土條滑動(dòng)面的內(nèi)摩擦角；ci為第i塊土條粘聚力；li為第i塊土條滑弧弧長。

本工程堤防邊坡抗滑穩(wěn)定性，按照規(guī)范計(jì)算施工期和設(shè)計(jì)洪水位下穩(wěn)定滲流期兩種工況下的邊坡穩(wěn)定性。在施工期，由于疏浚河道治理工程的開展，河底淤泥被清除，河岸邊坡滲流場和應(yīng)力場發(fā)生變化，坡體內(nèi)將受到高剪切力和有效應(yīng)力改變而出現(xiàn)滑坡的危險(xiǎn)，并且這種可能出現(xiàn)的滑坡模式為典型的牽引式發(fā)展模式。行洪穩(wěn)定滲流期，河道水位上升引起邊坡內(nèi)外水頭差進(jìn)而產(chǎn)生由坡內(nèi)向坡外的滲流力來抑制邊坡塑性區(qū)發(fā)展，水位上升初期能提升邊坡穩(wěn)定性，但隨著水位趨于穩(wěn)定，水位荷載的影響會(huì)導(dǎo)致滑移面向深處發(fā)展。本研究以斷面樁號5+050左岸、20+560左岸、29+200右岸、54+100左岸和57+500右岸作為典型斷面分析兩種工況下的邊坡穩(wěn)定性，計(jì)算方式如圖1、圖2所示。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算簡圖

圖2 邊坡安全系數(shù)計(jì)算圖

表2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算值

根據(jù)規(guī)范施工期的邊坡安全系數(shù)最小值不能低于1.1，設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期的最小安全系數(shù)不能低于1.2，本研究工程根據(jù)瑞典圓弧法求得的安全系數(shù)趨于保守，但是計(jì)算值均滿足要求，5個(gè)型斷面的計(jì)算結(jié)果，安全系數(shù)最小的57+500右岸斷面達(dá)1.5，遠(yuǎn)大于1.1。而穩(wěn)定滲流期斷面計(jì)算值最小為1.36，大于規(guī)范要求1.2，所以采用1：4坡比進(jìn)行放坡處理和河道疏浚，河岸邊坡的穩(wěn)定性可得到保證。

4.結(jié)論

通過對黃泛區(qū)大沙河河道治理工程邊坡穩(wěn)定性分析可以得到以下結(jié)論：

（1）開挖河道中心線與原河道中心線基本一致或與原河道中心線基本保持平行，河岸邊坡比取1：4，堤身超高取1.5，河道邊坡滲流穩(wěn)定性滿足要求。

（2）取典型斷面計(jì)算施工期和設(shè)計(jì)洪水位下穩(wěn)定滲流期兩種工況，在采取的河道設(shè)計(jì)方案下，穩(wěn)定性安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。