防洪堤整體穩定性計算

劉海軍

（婁底市水利水電勘測設計院　　婁底市　417000）

防洪堤整體穩定性計算

劉海軍

（婁底市水利水電勘測設計院婁底市417000）

由于長期經受水的滲透作用，堤防容易發生坍塌和滑動現象。文章針對漣源市水洞底鎮防洪堤的穩定性問題，按不擋水和擋水兩種情況分析，并考慮多種荷載組合，對防洪堤進行穩定性計算。

防洪堤荷載穩定性計算

1 工程概況

漣源市水洞底鎮防洪堤位于孫水河上，治理天堂村～羊角村的11.038km河段，該段河道為山區河道，漲落較快，兩岸防洪工程采用護岸進行處理，水洞底鎮政府所在地河段高程滿足要求，亦采用護岸進行處理，護岸布置在岸坡松散、垮塌處或河岸匯入口比較紊亂的地段或當沖的凹岸，岸頂高程到原有堤高程。護岸式擋土墻尺寸：頂寬0.6m，臨水側坡比為1∶0.75，背水側面1∶0.5，墻趾臺階寬1.0m、墻趾臺階高1.0m，基礎埋深1.0m。

2 水文地質

2.1水文

孫水河流域屬于典型的中亞熱帶季風濕潤氣候區，氣候溫和，降水豐沛、徑流豐富。本流域內多年平均降雨量1328.8mm，年平均蒸發量1423.9mm。降水主要集中在4～7月份，降水量占年總量的57%，其中以5、6月份最多，降水量占年總量的近1/3。工程所在地區的氣候特征資料參考臨近的漣源市氣象站，據漣源市氣象站資料統計，多年平均風速1.7m/s，最大風速20.0m/s，多年平均最大風速為13.0m/s。多年平均氣溫17.0℃，年極端最高氣溫40.1℃，最低氣溫-12.1℃，高溫一般發生在7～8月，低溫一般出現在1～2月。

孫水干流下游建有石安水文站，石安水文站站址設在孫水河富公亭至落花洲之間，控制孫水流域面積802km2，站址穩定，有1961～2001年孫水河實測水位～流量資料。石安水文站實測最大洪峰流量1240.0m3/s（1998年7月），實測最小流量為0.22 m3/s（1987年11月），頻率為97.06%，孫水多年平均流量為18.1m3/s。

2.2地質

各層巖土特征為：

含碎石粘土：灰色、灰黃色，硬塑～堅硬，干燥，夾有約30%左右的碎、塊石，塊徑（5～15）cm。有光澤；干強度高；韌性中等；一般厚度為（2.5～7.0）m，主要分布于河床兩側Ⅰ級階地；容許承載力（160～180）kPa。

礫質粉質粘土：棕黃色，硬塑～堅硬狀態，干燥，稍有光澤，干強度、韌性中等，局部含有少量角礫，含量約15%左右。主要分布于河流兩岸局部段山坡坡麓，表層植物根系發育，一般厚度為（0～5.0）m，分布不均勻；容許承載力（140～160）kPa。

砂卵石：灰色、灰白色夾少量深灰色，主要礦物組成為石英和云母，卵石以圓形及亞圓形為主，分選性較好，磨圓度好，中密～密實，局部夾有細砂。現場孔內動力觸探試驗平均擊數為33.8擊；厚度為（2.0～5.0）m，分布均勻；容許承載力（300～350）kPa。

強風化頁巖、灰巖：主要由灰色、灰白色厚層狀～巨厚層狀致密白云質灰巖、淺灰色厚層塊狀灰巖、中厚層狀白云質灰巖夾白云巖、黑色鈣質頁巖、炭質頁巖、灰巖為主，容許承載力（900～1100）kPa。

強風化砂巖夾頁巖：主要以粉砂巖、砂質頁巖為主，局部為灰～灰白色石英砂巖、粉砂巖夾砂質頁巖和黑色頁巖，夾無煙煤層。巖石節理裂隙較發育，巖體風化破碎嚴重，完整性較差，局部風化深度較大，部分風化巖體呈散體狀，容許承載力（800～900）kPa。

3 基礎處理

岸基處理應根據護岸工程級別、岸高、岸基條件，選擇經濟合理的方案。岸基處理應滿足滲流控制、穩定和變形的以下要求：

（1）防止塌岸，控制岸坡后退。

（2）竣工后岸基和岸身的總沉降量和不均勻沉降量應不影響護岸的安全運用；根據地質提供的資料分析，岸基主要為粉質粘土、含少量礫的粘土、砂卵石組成或基巖上，岸基表層的淤泥質土類含水量較高，具有高壓縮性，為避免岸身因不均勻沉降產生裂縫，要求將淤泥質土、垃圾、雜土全部清挖，為避免護岸砂礫石基礎被淘刷，護岸基礎應埋置一定深度。

防洪工程設計采用護岸均較平順，基礎沖刷深度按照下式進行計算：

式中hb——局部沖刷深度（m），從水面計算；

hp——沖刷處水深（m），以近似水位最大深度

替代；

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般

取n=0.25；

Vcp——平均流速（m/s）；

V允——河床面上允許不沖流速（m/s）；

根據地質資料可知，砂卵石的抗沖刷流速（0.8～ 1.2）m/s，含碎石粘土（0.6～0.7）m/s，本工程兩岸土堤大部分為含碎石粉質粘土，因此本工程僅對含碎石粘土基礎進行計算，選取5+505-5+857段的護岸沖刷深度進行計算：沖刷處水深為6.3m，平均流速為1.7m/s，計算得出局部沖刷深度為（6.68～6.86）m，需要基礎埋置深度為（0.38～0.56）m，考慮到地質資料取值為經驗取值，埋置深度為（0.5～1.0）m之間取值，當岸高∠2m時，埋置深度取0.5m，當2m≤岸高≤3 m時，埋置深度取0.8m，當岸高＞3m時，埋置深度取1.0m。

4 防洪堤穩定性計算

護岸選取典型斷面進行抗傾、抗滑和地基承載力計算，選取5+791m的左岸護岸作為復核計算的典型斷面，典型斷面如附圖所示。

附圖　典型斷面圖

4.1穩定性計算要求

根據《堤防工程設計規范》規定，5級堤防工程防洪墻抗滑、抗傾穩定安全系數見表1。

表1　防洪墻抗滑、抗傾穩定安全系數表

4.2計算方法

（1）抗滑穩定安全系數按下式計算：

式中K——抗滑穩定安全系數；

∑W——作用于墻體上的全部垂直力的總和

（kN）；

∑P——作用于墻體上的全部水平力的總和

（kN）；

f——底板與基底之間的摩擦系數；取0.5。

（2）抗傾穩定安全系數按下式計算：

式中Ko——抗傾穩定安全系數；

MV——抗傾覆力矩（kN·m）；

MH——傾覆力矩（kN·m）。

（3）擋土墻基底壓應力按下式計算：

式中σmax、min——基底的最大和最小壓應力（kPa）；

∑G——垂直荷載（kN）；

A——底板面積（m2）；

∑M——荷載對底板形心軸的力矩（kN·m）；

∑W——底板的截面系數（m3）。

4.3計算工況、基本荷載及參數

正常情況：

工況一：護岸不擋水（或施工期）情況；

工況二：護岸為設計水位情況。

基本荷載：自重、設計洪水位時的靜水壓力、揚壓力、風浪壓力、土壓力。

填筑料：土石碴混合料。

墻體：材料為M7.5水泥砂漿砌塊石，容重為24.0kN/m3。

摩擦系數：抗滑摩擦系數f為0.53～0.58。

4.4計算成果及分析

經對典型斷面進行計算，成果如表2。

表2　護岸穩定分析及基底應力計算表

由表2可知，護岸典型斷面抗滑穩定最小安全系數k=1.277～1.623＞1.05，抗傾穩定最小安全系數k=2.155～3.254＞1.40，基底最大壓應力P=（199.252～239.749）kPa，堤基地層基本為砂卵石層，允許承載力大于300kPa，基底應力能滿足地基土允許承載力要求。

5 結　論

（1）防洪堤典型斷面在兩種工況下的抗滑穩定和抗傾穩定性計算安全系數均滿足設計規范的允許值，因此滿足設計要求。

（2）典型斷面在兩種工況下的基底最大壓應力在地基承載能力范圍以內，因此滿足堤基應力要求。

劉海軍（1982-），男，大學本科，工程師，主要從事水利設計和監理工作。

（2016-06-30）