堤防岸坡在水位驟降情況下采取不同加固措施的穩定性分析

賈龍

摘 要：水位驟降情況下的堤防穩定性被認為是最危險的情況，但對不同加固措施的穩定性效果研究較少。通過選取淮河淮北大堤某段堤防為研究對象，建立二維有限元滲流模型，在水位驟降情況下，對分別布置截滲墻和水平壓蓋的堤防迎水坡進行的穩定性計算，再計算組合加固措施下的堤坡穩定性。研究結果表明，當采取單一加固措施時，由安全系數的增率得出1m厚的水平壓蓋加固效果較好；當采取組合防護時，其加固效果更好，考慮到經濟方面，選擇采取1m厚的水平蓋重的加固措施比較合理，以此也可以給類似工程提供參考。

關鍵詞：水位驟降；加固措施；堤防；非穩定滲流

前言

水位驟降使得堤防內的水來不及排出，堤身處于飽和狀態，土體的容重增加，在滲流的作用下，造成堤防迎水坡下滑力增大，抗滑力減小，失去穩定而產生滑坡。已有學者在研究堤防穩定性時指出，水位驟降是堤防迎水坡最不穩定情況，水位下降越快，邊坡越不穩定[1～4]。目前水位驟降情況下堤防的穩定性研究已經比較成熟，但在水位驟降情況下，堤防采取不同加固措施的穩定性效果上研究和應用較少，本文以淮北大堤某段堤防為例，在此方面展開研究，來彌補該方面的不足。

1 水位驟降原理和淮北大堤的水位驟降速度

水位驟降一般指水位的降落速度很快，堤防（斜坡體）內的自由面或浸潤線滯后于水位降落。Schnitte和Zeller于1975年將飽和滲透系數Ks、給水度？滋和庫水位下降速度v的比值作為評價降落快慢的依據。毛昶熙[5]分析均質土壩和心墻沙殼壩得出：當k/？滋v<1/10時為驟降，此時壩體內的滲流自由面在水位降落后仍占總水頭的90%左右，可以近似認為自由面沒有下降；當k/？滋v>1/10時，壩體內自由面僅占總水頭的10%左右，不會影響壩坡的穩定性；當k/？滋v>100時，滲流自由面將與水位同步下降。

為了工程計算方便，將“k/？滋v>1/10”換算成水位下降速度，即V>10k/ 時發生驟降，對于大多數土質堤防來說，一般認為當V>0.5m/d時，即算是水位驟降情況[6]，所以對于淮北大堤的水位驟降速度判斷以0.5m/d為準，計算時為保守起見取5m/d。

2 堤防概況和有限元模型

選取的堤防位于淮南市和臺風縣之間的上、下六坊堤行洪區，河底高程10.60～13.50m，寬約150m。堤防以南的灘地，地面高程一般19.50m左右。研究堤段河道正常水位為18.05m，20a一遇設計洪水位為23.06m。堤身主要是由粉質粘土組成，河床為粉質粘土和輕粉質壤土，基巖為泥粉質砂巖。堤防附近土層從上到下為粉質粘土、輕粉質壤土、粉細砂、輕粉質壤土、粉細砂、粉質粘土。選取大堤某段典型斷面，典型斷面土層見圖1。

圖1 堤防典型斷面

（1）建模范圍。以堤壩為中心，水平方向上向堤防兩側取兩倍的堤高，垂直方向上由截滲墻底端向下取兩倍的堤高。模型左右長度約為52m，高度約為22m。坐標原點位于左邊界高程0.0m處，X軸垂直于堤防向右為正，Z軸向上為正，穩定計算模型見圖2。

（2）加固措施選擇。由于水位驟降致使堤坡失穩的原因既有水流滲透因素又有土體下滑因素，故根據已有的堤防加固措施資料[7]，選擇截滲墻、水平壓蓋兩種加固措施。設計截滲墻厚度為20cm和40cm，堤頂布置和堤肩布置，設計深度為深入輕粉質壤土1m，滲透系數為1×10-6cm/s；設計水平壓蓋厚度為0.5m和1m，寬度為均為6m，沿內河側布置，滲透系數為3×10-6cm/s。

（3）模型邊界條件。根據文獻[8]，堤內側為高度隨時間變化的變水頭邊界，地下水位取14m，堤防迎水面以上和背水面定義為逸出邊界，堤身后導滲溝定義為逸出邊界；不考慮降雨作用，其他邊界為不透水邊界。

（4）原堤岸邊坡穩定性。由非飽和土滲流原理和極限平衡法，利用SEEP/W軟件，以5m/d下降速度為例，在不同水位下，對原始堤防邊坡進行穩定性分析，計算結果見表1。由表2可以看出，當水位降至21.98左右時，堤岸安全系數降到1.3及其以下，直至小于1，說明此時堤岸不穩定，需要采取加固措施保證堤防的安全性。

表1 水位驟降時各水位高程堤岸坡體穩定性

3 采取單一加固措施的堤岸邊坡穩定性

3.1 采取截滲墻加固的堤岸邊坡穩定性

采取不同厚度和位置的截滲墻對堤防進行加固，通過減小堤身內的滲流量來維護堤坡的穩定性，對堤岸穩定性計算，計算結果見表2。由表2可以看出，布置截滲墻后，堤防坡體的安全系數均增大，但幅度并不明顯，只有在堤頂布置的40cm厚截滲墻下，堤防的安全系數最終滿足于規范要求，可見截滲墻的加固效果并不是很有效。

表2 不同水位下布置截滲墻的堤坡安全系數

3.2 采取水平壓蓋的堤岸邊坡穩定性

在堤防迎水坡堤腳處分別布置0.5m、1m厚的水平壓蓋，寬度為6m，通過水平壓蓋可以給堤腳處增加抗滑力來提高堤坡的安全系數，穩定計算結果如表3所示。從表3可以看出，布置水平壓蓋后，堤坡的安全系數相對增加較大，所有數值均大于1.3，堤坡處于穩定狀態。

表3 不同水位下布置水平壓蓋的堤坡安全系數

4 采取聯合加固措施的堤岸邊坡穩定性

對堤防采取截滲墻和水平壓蓋聯合加固，原理是“內部防滲、下部增重”。同樣選取加固效果最好的單一措施，選擇40cm厚度布置在堤頂的截滲墻和1m厚的水平壓蓋聯合加固，對堤坡進行穩定計算，計算結果如表4所示。從表4可以看出，堤坡的安全系數均有提高，其加固效果要好于截滲墻和護坡聯合加固。

表4 截滲墻和水平壓蓋聯合加固的堤坡安全系數

5 不同加固措施的應用效果

為了能夠更直接地反映出加固措施的加固效果，在這里計算出不同水位安全系數大于1.3的堤坡安全系數增率，單一加固措施的計算結果見表5，聯合加固措施的見表6。從表5可以看出，增率最大的是1m厚的水平壓蓋，為59.3%，最小的是40cm厚的護坡，為37.4%。從表6可以看出，聯合加固的效果明顯增大，最大的是截滲墻和護坡聯合使用的組合，為83.9%，最小的是護坡和水平蓋重聯合使用的組合，為76.3%。

表5 單一加固措施的堤坡安全系數增率

表6 聯合加固措施的堤坡安全系數增率

6 結束語

（1）采取單一加固措施時，1m厚的水平蓋重加固效果較好，平均安全系數增率59.3%，截滲墻效果其次，平均安全系數增率為42.8%，所以若采取單一措施首先考慮水平蓋重，但考慮到截滲墻的施工速度較快，故在緊急情況下也可以作為首選。

（2）采取聯合加固措施時，截滲墻和水平壓蓋的聯合加固效果明顯比單一加固措施的要好，安全系數增率為83.9%，但從經濟上來考慮，聯合加固措施造價較高，所以在選擇上需要考慮工程費用。

（3）從加固效果來看，采取增加抗滑力的效果比減少堤身滲水的效果好，但減少堤身滲水可以減小堤身背水側和堤基有可能產生的險情，在這一方面還有待進一步研究。

參考文獻

[1]劉培青，張進，李士軍.庫水位驟降對庫岸滑坡穩定性的影響[J].人民黃河，2007，29（7）：71-72.

[2]時鐵城，阮建飛，張曉.庫水位驟降情況下土石壩壩坡穩定分析[J].人民黃河，2014，36（2）：93-95.

[3]王冬林，李宗利，張洪泉.庫水位驟降對均質土壩壩坡穩定性的影響分析[J].人民黃河，2011，33（4）：1495-1499.

[4]趙宇坤，劉漢東，李慶安.洪水浸泡和水位驟降情況下黃河下游堤防堤岸穩定性分析[J].巖土力學，2011，32（5）：147-149.

[5]毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[6]王冬林，李宗利，張洪泉.庫水位驟降對均質土壩壩坡穩定性的影響分析[J].人民黃河，2011，33（4）：147-149.

[7]李繼業，劉經強，葛兆生.河道堤防防滲適用加固技術[M].北京：化學工業出版社，2013.

[8]趙紅紅，邱錢勇，王峰，等.水位升降條件下后張堤堤防非穩定滲流分析[J].人民黃河，2013，35（11）：11-13.