堤防穩定分析計算

羅日東

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

堤防穩定分析計算

羅日東

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

河道堤防工程作為不同洪水頻率下的擋水建筑物，其本身的穩定性至關重要。2013年8月松花江干流發生了大洪水，沿江堤防出現了上千處險情，主要原因是干流堤防有些未達標，堤身斷面小。文章結合松干堤防工程實例就堤身滲透性穩定計算，典型斷面的選取計算及堤身抗滑穩定分析計算，供同類工程建設借鑒參考。

水利；堤防工程；堤身穩定；分析計算

0 前 言

2013年8月松花江干流發生了自1998年以來的最大洪水，尼爾基水庫以上發生了近50年一遇的大洪水，水庫調節后嫩江干流富拉爾基以上洪水頻率為20 a一遇左右，富拉爾基以下為10～20 a左右。松花江干流堤防出現上千處險情，主要原因是干流堤防有一半以上堤防未達標，堤身斷面小，頂寬過窄，邊坡過陡，加之筑堤土質不好，多為砂基砂堤，導致汛期堤防滲漏、滑坡、管涌、散浸等，多處出現險情。整個松花江干流險工1955處，其中肇源堤險工38處，新城堤險工14處，綏濱堤險工134處。由此看出，科學合理的計算堤防穩定十分重要[1]。

1 堤身滲透穩定分析

1.1 計算斷面選取

計算斷面的選取是根據工程地質勘探和土工試驗結果，結合地形條件、堤防險工弱段、堤體結構、堤體高度和填筑材料等，選取典型斷面進行穩定計算，所選斷面應為代表性較好的斷面[2]。各計算斷面樁號、設計洪水位及堤防斷面特征值見表1。

1.2 堤身的滲流分析

堤身的滲流分析主要計算堤內平均滲透比降、背水坡滲流出口比降，分析滲流對土體的破壞作用及發生滲流變形的可能性，以便采取防止滲透變形的措施。

堤身浸潤線計算可分兩類：一類為堤身直接坐落在透水層上(砂基)，浸潤線計算按透水地基考慮；另一類為堤身位于完整的黏土層上(土基或雙層地基)，浸潤線計算按不透水地基考慮[3]。

表1 典型斷面特性表

不透水地基均質土堤滲流按下式計算。計算簡圖見圖1。

圖1 不透水地基均質土堤滲流計算簡圖

計算公式為：

(1)

式中：q為單位寬度滲流量，m3/s·m；K為堤身滲透系數，m/s；H1為上游水位；H2為下游水位；h0為下游出逸點高度；m1為上游坡率；m2為下游坡率。

堤身平均比降：

(2)

出逸點比降：

(3)

透水地基均質土堤滲流按下式計算。計算簡圖見圖2。

圖2 透水地基均質土堤滲流計算簡圖

(4)

式中：qD為不透水地基上求得的相同排水型式的均質土堤單位寬度滲流量，m3/s·m；K0為堤基滲透系數，m/s；H1為上游水位；H2為下游水位；h0為下游出逸點高度；T為堤基厚度；m1為下游坡率；m2為上游坡率。

出逸點比降：

(5)

堤體和堤基土體物理力學指標設計值根據工程地質勘察和土工試驗結果經分析后采用，堤防背水坡設計水位采用堤腳地面高程[4]。

經計算分析，堤坡滲流出口的出逸比降不滿足滲透穩定要求，對于砂堤需要采取工程措施，砂堤滲控結合砂基、雙層地基滲控措施，采用壓滲或蓋重措施，以滿足堤身的滲透穩定。滲流計算成果見表2。

2 堤身抗滑穩定分析

上、下游堤坡抗滑穩定分析采用瑞典圓弧法，針對土基土堤、砂基土堤、混合堤雙層地基3種情況計算。各堤段分別根據工程地質勘探和土工試驗結果，結合地形條件、堤防險工弱段、堤身結構、堤身高度和填筑材料等，選取典型進行計算[5]。邊坡穩定計算簡圖見圖3。

表2 典型斷面滲流計算成果表

圖3邊坡穩定計算簡圖

2.1 穩定計算公式

1)施工期抗滑穩定安全系數可按下式計算：

(6)

2)水位降落期抗滑穩定安全系數可按下式計算：

(7)

3)穩定滲流期抗滑穩定安全系數可按下式計算：

(8)

式中：b為條塊寬度，m；W為條塊重力，W=W1+W2γWZbkN；W1為在堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2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為穩定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa；ui為水位降落前堤身的孔隙壓力，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,Ccuφcu,C′,φ′為土的抗剪強度指標，kN/m3，°。

2.2 抗滑穩定安全系數

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)的有關規定，正常運用條件，2級、3級堤防的抗滑穩定安全系數允許值分別為1.25、1.20；非正常運用條件I，2級、3級堤防的抗滑穩定安全系數允許值分別為1.15、1.10、1.05和1.05。

2.3 計算指標及結果

堤身抗滑穩定分析計算采用北京水利水電科學研究院編制的STAB軟件進行計算，計算指標及結果詳見表3。

根據邊坡穩定計算結果可知，堤防抗滑穩定安全系數在不同工況下均大于規范要求的允許值，堤防邊坡穩定滿足要求，堤坡設計合理。

表3 穩定計算力學指標及計算結果

注：K1為設計洪水位穩定滲流期背水坡堤坡穩定系數；K2為上游1/3堤高水位情況迎水坡邊坡穩定系數；K3為設計洪水位驟降期的迎水側堤坡穩定系數；K4為施工期迎水坡邊坡穩定系數。

3 結 語

堤基防滲措施主要針對不能滿足滲透穩定要求的砂基與雙層地基堤段進行處理。對砂基堤段采取壓滲處理；對雙層結構地基堤段采取蓋重處理。

砂基堤段在背水坡堤腳附近水平段出逸滲透比降由大到小，在滲流出口處一定范圍內滲流出逸比降大于地基土的允許出逸比降。根據堤基處理原則和計算結果，砂基堤后采取壓滲措施。

[1]張芳枝，陳曉平，梁志松.強度折減有限元在堤防穩定分析中的應用研究[J].工程地質學報，2011,19(02)：244-249.

[2]高玉林，石正寶，石家云.無為大堤三官殿龍塘段堤防穩定分析[J].西部探礦工程，2005(10)：211-212.

[3]徐四勝.雙鐘圩堤防穩定簡析[J].人民長江，2003，34(03)：41-42.

[4]龔壁衛，吳昌瑜.堤防非飽和邊坡穩定分析方法探討[J].長江科學院院報，2003,20(03)：39-41.

[5]劉灼華，謝麗.考慮滲流和洪水浸泡作用的堤防工程穩定性分析[J].人民珠江，2004(03)：13-15.

1007-7596(2014)12-0100-03

2014-09-10

羅日東(1960-)，男，遼寧黑山人，工程師。

TV871

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