某電站工程設計變更防洪堤滲流穩定分析

呂石源

（福建省周寧縣水利局，福建 周寧 355400）

1 工程概況

某電站工程壩址位于某渡河段，主要建筑物由非溢流壩、沖砂、泄洪和進水閘、廠房、船閘和防洪堤等組成。為配合某電站工程發揮效益，保障水工建筑物的安全，需沿河修建防洪堤，庫區防洪堤和庫區排澇工程共布置堤防總長30km。

根據GB50201—2014《防洪標準》相關規定，對兩段堤防的防洪標準（洪水重現期）采用50年一遇，對該區其他堤防的防洪標準為20年一遇。根據GB50286—2013《堤防工程設計規范》相關規定[1]，兩段堤防按2級堤防設計，城郊的其他堤防按4級堤防設計。

近期對主要的堤身填筑料場進行了實地調查和復核，發現可研階段選定的砂礫石料場不適合堤防開采，而兩段堤防位于堤防保護范圍，同樣不適合開采。因此，需對原設計的堤防結構設計進行變更，同時，根據要求需對原初設方案變更后的各段堤防結構進行滲流穩定計算分析，以滿足工程設計和施工的要求。

2 變更方案

2.1 ①號堤防變更

①號堤采用土工膜心墻斜坡堤，設計防洪標準仍采用50年一遇（P=2%），500年一遇洪水不翻堤，頂高程按照GB50286—2013《堤防工程設計規范》相關要求計算，特征水位采用庫區回水計算結果。堤頂高程291.74～292.50m，最大堤高26.0m，堤頂寬6.0m，堤頂路面為25cm厚的C20混凝土路面，路面設1%坡度傾向兩側，以利排水[2-4]。

結合航道規劃及景觀水線布置，為便于堤防馬道與副壩段馬道相接，馬道高程286.50m。樁號左永防0+200～左永防1+000段馬道寬3.0m，馬道以上坡比1∶1.6，砂卵石碾壓填筑，坡面采用植草護坡，設計洪水位以下采用土工格柵防沖，馬道以下坡比1∶1.6，采用0.30m厚漿砌卵石護坡，坡腳置于寬0.9m，厚0.6m的C25混凝土趾板上，趾板埋置深度為4m，滿足沖刷深度要求，基礎面層采用1.0m厚格賓網防沖護面，下游坡坡比1∶1.6，采用石渣填筑。坡面采用框格梁草皮護坡，耕植土厚30cm，坡腳設漿砌卵石排水溝，采用梯形斷面，底寬0.5m，邊坡1∶1.5。

根據概念方案設計景觀水線的布置，樁號左永防1+000～左永防3+008段高程286.50m 處設一馬道，寬度3～100m。對防洪堤堤身填筑進行分區設計；從迎水面至背坡分別為30cm厚的M7.5漿砌卵石面板、頂寬2.0m的砂卵石料填筑區、泥巖石渣料填筑區，迎水面坡比1∶1.0、細粒徑砂卵石保護區、泥巖石渣料填筑區。馬道以上坡比1∶1.75，坡面采用植草護坡，設計洪水位以下采用土工格柵防沖。馬道以下坡比1∶1.6，采用30cm厚M7.5漿砌卵石面板護坡，坡腳置于寬0.9m，厚0.6m的C25混凝土趾板上，趾板埋置深度為4m，滿足沖刷深度要求，基礎面層采用1.0m厚格賓網防沖護面，下游坡坡比1∶1.6，坡面采用框格梁草皮護坡，耕植土厚30cm，坡腳設漿砌卵石排水溝，采用梯形斷面，底寬0.5m，邊坡1∶1.5。某電站工程庫區正常蓄水位285.50m，堤后地面低于正常蓄水位，需對堤身進行防滲處理。堤身防滲采用復合土工膜+防滲墻的方式。復合土工膜采用兩布一膜，土工布采用300g/m2，土工膜厚度1.5mm，兩側各設1.5m寬的細粒徑砂卵石保護層。土工膜底部與防滲墻相接。防滲墻采用C25混凝土，厚0.6m，貫穿砂卵石覆蓋層至巖土分界線以下0.5m。

2.2 ②號堤防變更

②號堤采用土工膜心墻斜坡堤。堤頂高程高程292.50～294.54m，最大堤高17.6m，堤頂寬6.0m，堤頂路面為25cm厚的C20混凝土路面，路面設1%坡度傾向兩側，以利排水。

結合景觀規劃及水線布置，增加平臺上親水性植物的種植，及不影響后期改造，故水邊線處設置格賓石籠擋墻，擋墻頂高程285.50m，石籠擋墻基礎埋置深度4m，滿足沖刷深度要求，墻后采用棄渣回填。堤身采用石渣填筑，上游坡比1∶3，采用植草護坡，設計洪水位以下采用土工格柵防沖，下游坡邊坡1∶1.6，采用框格梁草皮護坡，耕植土厚30cm，坡腳設漿砌卵石排水溝，采用梯形斷面，底寬0.5m。某電站工程庫區正常蓄水位285.50m，堤后地面低于正常蓄水位，需對堤身進行防滲處理。堤身防滲采用復合土工膜+防滲墻的方式。復合土工膜采用兩布一膜，土工布采用300g/m2，土工膜厚度1.5mm，兩側各設1.5m寬的細粒徑砂卵石保護層。土工膜底部與防滲墻相接。防滲墻采用C25混凝土，厚0.6m，貫穿砂卵石覆蓋層至巖土分界線以下0.5m。

3 計算參數

根據初步設計報告、現場勘查及室內試驗結果，得到了該電站工程堤防邊坡穩定計算參數，詳細計算參數如表1，滲流計算參數如表2，本次穩定計算主要采用河海大學工程力學實驗室Autobank7.07（水工結構有限元分析系統）軟件[5]，對堤體采用二維滲流有限元法[6-10]進行分析計算，坡體穩定計算工況包括正常運行工況和非正常運行工況，正常運行工況包括正常蓄水位工況和設計洪水位工況，非正常運行工況為水位驟降工況。

表1 電站工程堤防邊坡穩定計算參數

表2 工程堤防滲流計算參數

4 滲流穩定計算結果及分析

4.1 滲流計算

表3為該電站工程各段堤防的滲流計算結果，主要包含允許坡降和滲流量。分析可知，本工程的兩段防洪堤兩段堤防的滲流出口最大坡降分別為0.051和0.033，均在允許坡降范圍內，而各段防洪堤的最大單寬滲流量和累計滲流量均很小，不會影響庫區蓄水。

表3 工程堤防滲流計算成果

4.2 堤防穩定計算

4.2.1 ①號防洪堤

①號堤防穩定計算選取堤軸線上最大斷面（樁號1+098.33m）進行分析，計算方法選用目前常用的簡化畢肖普法[11-13]，其穩定計算成果如表4和圖1。

表4 ①號堤防邊坡穩定計算成果

圖1 ①號堤防邊坡穩定計算

分析可知：在3種運行工況下，①號堤防迎水面和背水面的安全系數均大于規范最小允許值，其中，最不利工況為非正常運行工況（水位從286.52m驟降至277.52m）時的迎水面邊坡，此時最小安全系數僅為1.26，略大于規范最小值1.25。說明變更后的①號堤防邊坡穩定性滿足規范要求。

4.2.2 ②號防洪堤

該電站工程②號堤防穩定計算選取堤軸線上最大斷面（樁號1+369m）進行分析，計算方法同樣采用簡化畢肖普法，②號堤防穩定計算成果如表5和圖2。

表5 ②號堤防邊坡穩定計算成果

圖2 ②號堤防邊坡穩定計算

分析可知：在3種運行工況下，②號堤防迎水面和背水面的安全系數均大于規范最小允許值，其中，最不利工況為非正常運行工況（水位從286.42m驟降至281.58m）時的背水面邊坡，此時的最小安全系數為1.47，大于規范最小值1.25。進一步分析各工況的危險滑裂面，可知在正常運行工況時滑裂面分別位于堤防的兩側，而在非正常運行工況時（水位驟降），迎水面的滑裂面位于格賓石籠擋墻處，這是由于②號堤防迎水面坡比為1∶3，坡度非常緩造成的。穩定計算結果說明變更后的②號堤防邊坡穩定性同樣滿足規范要求。

5 結語

（1）對某電站工程防洪堤設計變更方案進行了分析闡述，采用簡化畢肖普法對變更后的兩段2級堤防①號堤和②號堤進行滲流穩定分析。

（2）兩段堤防的滲流出口坡降分別為0.051和0.033，均在允許坡降范圍內，防洪堤的單寬滲流量和累計滲流量均很小，對庫區蓄水沒有影響。

（3）兩段堤防在3種不同運行工況下的邊坡安全系數均滿足GB50286—2013《堤防工程設計規范》相關要求，說明本次兩段堤防的結構變更設計是合理可行的。