雙鴨山市安邦河干流堤坡穩(wěn)定分析及措施

于海英

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

在雙鴨山市安邦河干流堤防工程，根據(jù)GB18306—2001“中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖”中的附錄A《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》，該區(qū)的地震動峰值加速度為0.05 g;按地震動峰值加速度分區(qū)對應的地震基本烈度為Ⅵ度區(qū)，在壩址周圍目前尚未發(fā)現(xiàn)有活斷層存在，因此，該區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性較好，按《堤防設計規(guī)范》規(guī)定，堤坡穩(wěn)定不作地震靜動力分析。

1 主城區(qū)堤坡穩(wěn)定分析及措施

1.1 計算工況選擇

根據(jù)本工程特點，堤防抗滑穩(wěn)定分析選取以下工況計算:

1)施工期的臨水側堤坡。

2)水位驟降情況的臨水側堤坡，水位自設計洪水位降至景觀水位。

3)設計洪水位下的穩(wěn)定滲流期的背水側堤坡。

4)施工期的背水側堤坡。

1.2 計算方法

堤坡抗滑穩(wěn)定計算采用剛體極限平衡法。對于均質壩采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧滑動法計算法或采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法計算。

當采用瑞典圓弧法計算時，正常運用條件下的最小安全系數(shù)為1.25;非常運用情況下的最小安全系數(shù)為1.15;當采用簡化畢肖普法計算時，最小安全系數(shù)應較瑞典圓弧法提高8%～10%。

穩(wěn)定計算方法由于對土體抗剪強度計算方法的不同，分為總應力法和有效應力法。計算簡圖見圖1。

1.2.1 總應力法

1)施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計算:

2)水位降落期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計算:

式中:W01、W02為水位降落前中對應水位Z0浸潤線以上及以下條塊重，kN，水位以上W01取濕容重，kN/m3，水位以下W02取浮容重;W1、W2為水位降落后中對應水位Z0以上及以下條塊重，kN，水位以上W1=h1γω+h2γs，水位以下W2取浮容重;γω為濕容重，kN/m3;γs為飽和容重，kN/m3;Z0為降落前水位，m;u為降落前沿滑弧孔隙水壓力，kPa。

圖1 穩(wěn)定計算簡圖

式中:b為條塊寬度，m;W為條塊重力，W=W1+W2+ρWZb，kN;W1為在堤坡外水位以上的條塊重力，kN;W2為在堤坡外水位以下的條塊重力，kN;Z為堤坡外水位高出條塊底面中點的距離，m;u為穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa;β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°;γW為水的重度，kN/m3;Cu，φu，Ccu，φcu，C'，φ'分別為土的抗剪強度指標，kN/m3，°，應按《土壩設計規(guī)范》有關規(guī)定確定。

1.2.3 計算斷面選取

根據(jù)工程地質勘探和土工試驗成果，結合地形條件、堤防高度和填筑材料等，選取典型斷面進行穩(wěn)定計算，所選斷面為土體物理力學指標值相對較差、堤防較高及代表性較好的斷面。

1.2.4 計算結果

設計采用條塊間作用力的簡化畢肖普法進行計算，典型斷面穩(wěn)定計算結果見表1。

計算結果表明，在不采取工程措施的情況下，典型斷面不能夠抗滑穩(wěn)定要求。

表1 典型斷面土壩穩(wěn)定計算成果表

1.2.5 堤防穩(wěn)定加固措施

根據(jù)計算，需對堤坡采取必要的加固處理措施:

1.2.5.1 下游堤坡穩(wěn)定措施

對于下游堤坡，經計算，穩(wěn)定邊坡坡比需為1∶5～1∶6，堤防占地較大，城市景觀受影響。結合壩坡滲透穩(wěn)定處理，設計采取壓滲措施，壓滲體兼作堤基鎮(zhèn)壓平臺，本著挖填土方平衡，盡量減少棄渣量的原則，鎮(zhèn)壓平臺設計寬度采用10 m，鎮(zhèn)壓平臺高度以高出浸潤線出逸點50 cm左右為準。鎮(zhèn)壓平臺沿堤防方向總長度6 174 m。其中左堤有11段，總長2 928 m。

1.2.5.2 上游堤坡穩(wěn)定措施

根據(jù)城市總體及景觀規(guī)劃要求，河道斷面上口寬度需控制在80 m之內，上游邊坡坡比給定為1∶1.5，不允許放緩坡比，故而需采取工程加固措施，設計對上游邊坡采取土工格柵JWS護坡結構固坡系統(tǒng)方案，其中土工格柵鋪設長度為3.0 m。

計算結果表明，采取加固措施后，上下游邊坡穩(wěn)定計算的安全系數(shù)均能滿足抗滑穩(wěn)定要求。

2 上、下游農堤段堤防穩(wěn)定分析及措施

2.1 堤身的滲流計算與滲流控制

2.1.1 計算基本資料

上下游農堤分別選擇了有代表性的3個斷面，分別為上游農堤砂堤砂基，下游農堤土堤雙基、土堤砂基，上下游農堤均為砂堤，砂堤橫斷面迎水坡比為1∶3，背水坡為1∶4。

2.1.2 堤身的滲流計算與滲流控制

2.1.2.1.滲流量計算公式

典型斷面的單寬滲流量及下游出逸點計算成果見表2。

表2 滲流量、下游逸出點高度計算成果表

2.1.2.2 浸潤線計算

透水地基上的均質土堤，由于地基透水的影響，堤身浸潤線降低，按不透水地基的浸潤線計算偏于安全。計算公式為:

式中:q1為堤身單位寬度滲流量，m3/s.m;k為堤身滲透系數(shù)，cm/s;h0為下游邊坡出逸點高度，m。

設計狀況典型斷面浸潤線計算成果見表3。

2.1.2.3 堤身背水坡滲流出口比降

1)砂堤。背水坡滲流出口比降按透水地基均質砂堤砂基坡面滲流計算，沿滲出段的出滲坡降計算公式為:

式中:h0為下游邊坡出逸點高度，m;m2為0下游坡坡率;y為下游邊坡高度，m。

表3 浸潤線計算成果表

砂堤不出現(xiàn)滲透破壞的允許比降為J允=0.15，砂堤背水坡沿滲出段的出滲比降都大于允許比降。堤腳背水坡滲流出口比降不滿足要求，需要采用壓滲措施解決。

2)土堤。背水坡滲流出口比降按不透水地基上均質土堤坡面滲流計算，沿滲出段的出滲坡降計算公式為:

式中:JA為上部滲出A點出口比降;JB為堤坡與不透水面交點B點出口比降;m2為下游坡坡率。

經計算求得:JA=0.371，JB=0.40。

土堤不出現(xiàn)滲透破壞的臨界比降通過計算Jk=1.69;允許比降:

土堤背水坡滲流出口比降滿足允許比降的要求。

2.1.3 堤基的滲流計算與滲流控制

沿線堤防的堤基主要為砂基和雙層結構地基兩種類型。

砂基是指表層弱透水層厚度＜0.50 m，或強透水層直接出露地表，堤基土主要由較厚含細粒土細砂和中粗砂等組成。砂基背水坡堤腳以外水平段出逸滲透比降由大變小，在滲流出口處一定范圍滲流出逸比降將大于地基土的允許出逸比降，可能由于堤腳處土體強度指標降低而導致堤體失穩(wěn)產生滑坡。當?shù)鼗骄冉挡荒軡M足要求時，也可能產生滲透破壞，故堤基的滲流計算與控制主要是針對砂基堤防進行。

砂基沿地基段出滲坡降計算公式為:

式中:h0為下游邊坡出逸點高度，m;m2為下游邊坡坡率;x為距坡腳的水平距離。

允許比降J允=0.15，堤腳附近外側砂土的滲流比降＞0.15，故對砂基堤段采取壓滲處理。

2.2 邊坡穩(wěn)定分析與計算

2.2.1 堤型與計算方法

土堤:上下游均按簡化畢肖普法進行計算。

2.2.2 穩(wěn)定計算

2.2.2.1 計算條件

設計洪水位情況下游穩(wěn)定計算;水位驟降情況上游穩(wěn)定計算(由設計洪水位降至1/3壩高水位。

2.2.2.2 穩(wěn)定計算

砂土堤典型剖面穩(wěn)定計算按簡化畢肖普法，堤防典型剖面邊坡穩(wěn)定計算結果見表4。

由表4計算結果可以看出設計洪水情況下下游坡和水位驟降情況下上游坡砂土堤邊坡均滿足穩(wěn)定要求。

而當迎水邊坡為2.5、背水邊坡為3.0時，設計洪水情況下下游坡和水位驟降情況下上游坡砂土堤邊坡均不滿足穩(wěn)定要求。計算結果見表5。

由此，本次設計砂土堤迎水坡邊坡3.0、背水坡邊坡4.0是經濟合理的。

表4 堤防邊坡穩(wěn)定計算結果

表5 堤防邊坡穩(wěn)定計算結果

2.3 邊坡、地基穩(wěn)定防護措施

根據(jù)以上計算，需要對堤坡、地基進行加固處理。

2.3.1 上游農堤

上游新建農堤段均為砂堤，迎水坡穩(wěn)定邊坡坡比需要1∶6左右，為減少堤防占地，上游農堤迎水坡坡比采用1∶3，背水坡坡比采用1∶4。結合迎水面護坡鋪設土工防滲膜，土工防滲膜延伸至迎水坡坡角前水平地面10 m。

2.3.2 下游農堤

下游新建農堤段均為砂土堤，迎水邊坡坡比1∶3，背水邊坡坡比1∶4(＞6 m堤防設置馬道)。結合迎水面護坡鋪設土工防滲膜，土工防滲膜延伸至迎水坡坡角前水平地面10 m。

結合地基穩(wěn)定計算成果，背水坡砂基滲透穩(wěn)定處理措施采取延伸措施，設計壓滲平臺寬15 m，設計壓滲總長度1 942 m。

結合地基穩(wěn)定計算成果，背水坡雙層地基滲透穩(wěn)定處理措施采用蓋重和減壓節(jié)滲溝。設計蓋重寬度20 m，蓋重壓滲體厚度為出逸點上加安全高0.50 m，設計厚度1.0 m;在蓋重平臺坡腳外開挖減壓排水溝，減壓排水溝開挖至強透水層，底寬1 m，邊坡1∶1;減壓排水溝采用干砌石護砌，下設碎石及砂礫石墊層各20 cm。設計蓋重及減壓溝總長度3 220 m。

經計算，采取加固措施后，上下游邊坡、地基穩(wěn)定計算的安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

［1］ 黑龍江省水利水電勘測設計研究院.雙鴨山市安邦河干流整治工程可行性研究報告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2010.

［2］ 毛昶熙.堤防工程手冊［S］.北京:中國水利水電出版社，2009.