塔里木河防洪堤防及護(hù)岸工程穩(wěn)定性分析

申 俊

(塔里木河干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

地形地貌的發(fā)展和坡面侵蝕是導(dǎo)致流域形成洪水的主要原因[1]。這些大多是人類無法控制的因素。每年6—9月，我國部分流域受到季風(fēng)的影響，降雨量陡增，平均降雨量可達(dá)1800 mm/a[2]。豐富的水資源仍未得到充分利用，反而頻繁的洪水造成了嚴(yán)重的災(zāi)難，流域內(nèi)的一些地區(qū)不斷受到河岸侵蝕和洪水的破壞[3]。下墊面的復(fù)雜構(gòu)造和季風(fēng)性降雨會(huì)導(dǎo)致河中的水流存在不穩(wěn)定性，因此對(duì)于洪水的形成，預(yù)報(bào)的難度較大[4]。這意味著河流中的洪水和河岸的侵蝕只能通過其表現(xiàn)出來的狀態(tài)來制定適應(yīng)性對(duì)策，對(duì)不斷變化的河流進(jìn)行綜合治理來解決以上問題[5]。本研究旨在對(duì)河岸防護(hù)工程進(jìn)行升級(jí)改造，進(jìn)一步提升工程的抗汛、抗侵蝕的能力。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域在地域上包括塔里木盆地、周邊向中心聚流的九大水系、114條源流和塔里木河干流、塔克拉瑪干大沙漠及東部荒漠區(qū)。流域總面積102萬km2，流域內(nèi)有5個(gè)地(州)的42個(gè)縣(市)和兵團(tuán)4個(gè)師的55個(gè)團(tuán)場(chǎng)，全流域總?cè)丝?02萬人，流域內(nèi)現(xiàn)有耕地136.27萬hm2。九大水系包括孔雀河、迪那河、渭干河、庫車河、喀什噶爾水系、葉爾羌河、和田河、克里雅河、車爾臣河水系。塔里木河是一個(gè)封閉的內(nèi)陸水循環(huán)和水平衡的相對(duì)獨(dú)立的水文區(qū)域，該河干流上段從阿拉爾到曲毛格金河段屬動(dòng)蕩型河道，河勢(shì)的變化非常頻繁且幅度較大，河流周圍地區(qū)一直面臨著洪水泛濫和河岸侵蝕等重大問題，該河段護(hù)岸工程的長度為6500 m，位于曲毛格金上游約12 km 處。

2 實(shí)例研究

現(xiàn)有的防洪堤在其整個(gè)長度上沒有統(tǒng)一的橫截面。平均截面的特征是：頂部寬度為4.5 m；距地面的高度為4.0 m；兩側(cè)邊坡為1.5∶1。

在大部分時(shí)間里，防洪堤沒有經(jīng)受洪水的沖擊。然而在雨季，暴雨導(dǎo)致河岸水位的快速上升，河堤從低負(fù)荷上升到極端負(fù)荷可能只需要幾個(gè)小時(shí)。為了提高防洪堤的性能，需要考慮抵抗水壓力和其他載荷的巖土穩(wěn)定性，汛期發(fā)生其他破壞的可能列為臨時(shí)荷載。同時(shí)在洪泛區(qū)進(jìn)行了底土勘探工作，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室分析，確定了合適的土壤參數(shù)。

防洪堤的幾何形狀可根據(jù)所用材料的類型和施工條件而改變。防洪堤的頂部寬度需大于2.5 m，以便維修車輛進(jìn)入。不規(guī)范的維護(hù)操作如在修整植被時(shí)移除大量的土壤可能會(huì)導(dǎo)致斜坡變陡，防洪堤坡度的改變會(huì)導(dǎo)致洪水在堤岸表面和上方泛濫。將加高防洪堤的頂部寬度和高度設(shè)置為4.5 m和6.5 m，對(duì)上述邊坡改造進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2.1 防洪堤分析

在提高現(xiàn)有防洪堤高度的研究過程中，考慮三種情況：第一，在農(nóng)村和河邊都可以擴(kuò)大基底寬度的情況，最終防洪堤部分的高度設(shè)定為6.5 m，基底寬度為24.00 m；第二，由于一些農(nóng)村人口密集，農(nóng)村的河段不可能擴(kuò)大基礎(chǔ)寬度，將該防洪堤段的高度設(shè)為6.5 m，基底寬度為20.25 m；第三，存在兩邊都不能加寬底部寬度的情況，防洪堤高6.5 m，基底寬16.50 m。

每種截面類型都需要單獨(dú)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，分析過程應(yīng)包括靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。

2.1.1 靜態(tài)分析

對(duì)于靜態(tài)邊坡穩(wěn)定性分析，采用了簡化畢肖普法、簡化詹布法、普萊斯法。在這些方法中防洪堤土體被劃分成若干層，為每一層建立平衡方程并求解。簡化畢肖普法考慮層間法向力，忽略層間剪力，滿足整體力矩平衡，但不滿足整體水平力平衡；簡化詹布法也只考慮層間法向力，而忽略層間剪力，滿足整體水平力平衡，但不滿足整體力矩平衡；普萊斯法既考慮了層間剪力和法向力，也滿足力矩和水平力平衡。

對(duì)于任一橫截面，都需要反復(fù)進(jìn)行多次分析，并且需要多次試驗(yàn)來確定具有最小安全系數(shù)的臨界滑動(dòng)面。使用Geo-Slope軟件進(jìn)行模擬。防洪堤土的參數(shù)為：內(nèi)聚力為18 kN/m2，內(nèi)摩擦角為24°。

在靜態(tài)條件下，通過不同方法確定的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)如表1所示。

表1 不同路堤斷面邊坡安全系數(shù)

圖1展示了通過普萊斯法獲得的三個(gè)防洪堤斷面的臨界滑動(dòng)面。

圖1 普萊斯法確定不同防洪堤斷面在靜態(tài)條件下的臨界滑動(dòng)面

2.1.2 動(dòng)態(tài)分析

在考慮臨時(shí)荷載時(shí)本文以地震為例。地震在山區(qū)和丘陵地帶發(fā)生時(shí)會(huì)造成許多滑坡和落石，并產(chǎn)生了大量的沉積物，這些沉積物會(huì)進(jìn)入河流系統(tǒng)。隨著額外的沉積物向下游累積，擾亂了正常的河流秩序。地震的另一個(gè)后果是，滑坡碎片會(huì)在某些支流上形成臨時(shí)大壩，這可能會(huì)在長達(dá)數(shù)月的時(shí)間內(nèi)阻擋大量的水，當(dāng)這些大壩最終坍塌時(shí)，高度和速度都很大的破壞性洪水會(huì)沖下山谷。此外地震作用還會(huì)液化洪泛區(qū)的細(xì)砂和淤泥沉積，導(dǎo)致河岸和防洪堤的逐漸破壞。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，防洪堤可能不會(huì)出現(xiàn)完全坍塌的情況，但可能會(huì)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的永久變形。因此，在動(dòng)態(tài)分析中，有必要估計(jì)與地震相關(guān)的慣性力可能導(dǎo)致的永久變形。為此，第一步是確定地震發(fā)生前存在的地面應(yīng)力的原位狀態(tài)，然后震動(dòng)地面。三種斷面的防洪堤初始應(yīng)力等值線圖,如圖2所示。

圖2 防洪堤斷面的初始靜態(tài)應(yīng)力等值線

在下一步的模擬中，防洪堤將經(jīng)受持續(xù)為44.3 s的地震加速度—時(shí)間歷程，如圖3所示。

圖3 典型加速度—時(shí)間歷程

該數(shù)據(jù)的記錄具有0.02 s的恒定時(shí)間間隔。使用紐馬克分析方法來檢查地震期間堤岸的穩(wěn)定性和永久變形情況。

對(duì)于防洪堤的每個(gè)設(shè)計(jì)剖面，利用初始應(yīng)力條件確定邊坡的強(qiáng)度。在震動(dòng)期間，考慮恒定的不排水強(qiáng)度特性，計(jì)算震動(dòng)過程中所有時(shí)間步長的剪應(yīng)力，得到了每個(gè)時(shí)間步長的安全系數(shù)。在任意時(shí)間步長確定由動(dòng)態(tài)慣性力引起的總剪力，然后除以總滑動(dòng)質(zhì)量，得到總滑動(dòng)質(zhì)量的平均加速度。

圖4展示了三個(gè)防洪堤斷面的安全系數(shù)隨時(shí)間的變化。

圖4 動(dòng)荷載作用下防洪堤斷面安全系數(shù)隨時(shí)間的變化

當(dāng)震動(dòng)偏向于河邊時(shí)，安全系數(shù)上升。地震期間的安全系數(shù)變化很大，在震動(dòng)期間，初始靜力加上慣性力超過可用剪切阻力的時(shí)間很短，在此期間堤岸會(huì)暫時(shí)失去穩(wěn)定性，導(dǎo)致不可恢復(fù)的變形。這些變形會(huì)累積，并在震動(dòng)結(jié)束后導(dǎo)致永久變形。

對(duì)于每個(gè)設(shè)計(jì)斷面，可按照以下三個(gè)步驟估計(jì)出最終變形的值。首先，繪制具有平均加速度的安全系數(shù)圖，以確定屈服加速度，屈服加速度定義為對(duì)應(yīng)于安全系數(shù)1.0的平均加速度。第二，隨時(shí)間繪制平均加速度。第三，將該圖中大于屈服加速度的面積積分兩次，以獲得累積變形。三個(gè)防洪堤斷面的臨界滑動(dòng)面如圖5所示。

圖5 動(dòng)荷載下防洪堤斷面變形最大的臨界滑動(dòng)面

表2列出了以上特定滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)和永久變形值。可以觀察到，斷面一對(duì)應(yīng)的防洪堤在兩側(cè)加寬后沒有發(fā)生永久變形。因此，斷面一應(yīng)為合適的設(shè)計(jì)方案。

表2 路堤斷面安全系數(shù)和變形系數(shù)的比較

2.2 河岸保護(hù)工程

塔里木河河岸的幾個(gè)部分已經(jīng)被嚴(yán)重侵蝕。護(hù)岸需要延伸至該河段低水位以上的整個(gè)河岸。然而，在建造護(hù)岸之前，為了防止河岸邊坡的長期侵蝕，建議首先用填砂土工袋(土工織物袋)保護(hù)低水位以下。工程開始時(shí)，首先在低水位以下的河岸坡腳上方放置一個(gè)由土工袋制成的水下護(hù)坦。這種即時(shí)保護(hù)措施下的坡角將會(huì)相對(duì)較陡，因?yàn)榇颖环胖迷谘厍治g河岸的自然斜坡上。如果沖刷和河岸侵蝕繼續(xù)，將導(dǎo)致斜坡變得更平滑，最終傾角將確定為2∶1，將柔性土工袋在新的穩(wěn)定斜坡上單獨(dú)重新排列。在上述施工過程，會(huì)出現(xiàn)一些巖土方面的不穩(wěn)定，需要對(duì)其進(jìn)行修整，以保證河岸防護(hù)工程是在巖土條件穩(wěn)定的基礎(chǔ)上建立起來的。

3 結(jié) 論

塔里木河的現(xiàn)狀表明，未及時(shí)修整毀壞的堤岸和河岸工程會(huì)帶來一些損失，有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的維修改造，本研究設(shè)計(jì)了三個(gè)不同的方案，結(jié)合靜態(tài)分析與動(dòng)態(tài)分析識(shí)別出可行性最優(yōu)的堤岸設(shè)計(jì)方案，以期加強(qiáng)現(xiàn)有的堤岸網(wǎng)絡(luò)，提供更穩(wěn)定措施來減輕侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。