防洪堤邊坡穩(wěn)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(yè)

(五華縣附城堤防事務(wù)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(nèi)容主要為防洪工程，堤防工程設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)設(shè)施完善，改善流域生態(tài)環(huán)境，促進區(qū)域長治久安[1]。

2 計算斷面選擇

壩身邊坡穩(wěn)定分段計算主要以地表至堤基下一定范圍內(nèi)的土體地質(zhì)巖性資料為主要依據(jù)，同時考慮地下水位及堤防填方高度情況，盡量使每段內(nèi)各項物理力學(xué)參數(shù)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(wěn)定計算采用的各材料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)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(zhì)剖面圖來看，鉆孔揭露的基巖位于設(shè)計河底線以下2.3 m或更多，且?guī)r體自身在承載力、抗沖刷、防滲及抗?jié)B變方面均遠優(yōu)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(wěn)定問題[4]。

3 滲流穩(wěn)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(shù)值分析方法計算，應(yīng)用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所研制Autobank7.0軟件程序進行計算，該程序假定滲透介質(zhì)不可壓縮，滲流符合達西定律[5-6]。計算域內(nèi)沒有源密度的情況，各向異性連續(xù)介質(zhì)二維穩(wěn)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(shù)。

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(jù)泛函與變分原理，將計算區(qū)域劃分為有限個單元，單元任意點水頭由單元結(jié)點水頭插值確定，通過對單元集成，建立代數(shù)方程組，求解方程組可得到滲流場的數(shù)值解即各結(jié)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(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286-2013)滲流及滲透穩(wěn)定計算中規(guī)定，滲透穩(wěn)定計算工況主要分兩種情況考慮[9-10]。

工況1：河道設(shè)計水位正常運行，堤外無水，需復(fù)核堤防背水坡穩(wěn)定。

工況2：河道設(shè)計水位非正常運行，附加地震荷載，需復(fù)核堤防臨水、背水側(cè)堤坡。

當(dāng)實際出逸坡降大于允許滲流坡降時，可能發(fā)生滲透破壞，應(yīng)采取措施；反之，則不會發(fā)生滲透變形。

4 邊坡抗滑穩(wěn)定方法

邊坡穩(wěn)定分析采用瑞典圓弧法，采用河海大學(xué)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(shù)；ci、φi分別為土條的凝聚力和內(nèi)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(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)，3級堤防邊坡允許最小安全系數(shù)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(shù)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(wěn)定分析計算主要分兩種情況考慮[3,13]。

工況1：河道設(shè)計水位正常運行，堤外無水，需復(fù)核堤防迎水坡、背水坡穩(wěn)定。

工況2：河道設(shè)計水位非正常運行，附加地震荷載，需復(fù)核堤防臨水、背水側(cè)堤坡。

本河道段灘地設(shè)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(shè)計水位驟降期的堤坡穩(wěn)定計算。

5 結(jié)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(wěn)定、邊坡穩(wěn)定計算，Autobank7.0軟件計算結(jié)果見表2。

表2 防洪堤滲透穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果表

根據(jù)表2中結(jié)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(guī)范要求。右堤R02、左堤L02典型斷面的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，其余斷面滿足規(guī)范要求。不滿足穩(wěn)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(wěn)定、邊坡穩(wěn)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(xiàn)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(xiàn)狀地面線相連。

右堤R01、R04兩個斷面：背水坡設(shè)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(jīng)工程措施處理后的斷面邊坡穩(wěn)定及滲流穩(wěn)定計算結(jié)果見表3。

表3 防洪堤升級改造后滲透穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果表

根據(jù)表3中結(jié)果可知，ZT防洪堤經(jīng)過升級改造后，其右堤R01、R02、R04及左堤L02典型斷面滲透穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。經(jīng)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(wěn)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(wěn)定、邊坡穩(wěn)定進行同步計算?！逗拥勒卧O(shè)計規(guī)范》(GB 50707-2011)8.4.3款規(guī)定，在河道擴挖和疏浚設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)水流條件、地形地質(zhì)條件，參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286-2013)的附錄F進行穩(wěn)定計算后，確定相應(yīng)的坡比[14-15]。河道主槽計算斷面選擇、滲流穩(wěn)定計算方法、邊坡抗滑穩(wěn)定方法與防洪堤邊坡穩(wěn)定計算方法相同，在此不作贅述。計算結(jié)果見表4。

表4 主槽邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果表

根據(jù)計算結(jié)果可知，河道主槽典型斷面的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，可不再額外進行工程加固。

根據(jù)本文研究案例及主要計算結(jié)果可知，本文所述土體級配斷面劃分法、各向異性連續(xù)介質(zhì)二維穩(wěn)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(wěn)定計算、邊坡抗滑穩(wěn)定計算、河道主槽穩(wěn)定計算等方面應(yīng)用效果較好，具有一定的適用性與準(zhǔn)確度。