生態護堤工程穩定性分析評價

趙振忠

（山西水務工程建設監理有限公司,山西 太原 030000）

0 引言

生態護堤依據生態工法思路，采用天然材料、人工材料或混合材料沿河筑堤，既能發揮自然岸坡的生態系統作用，也能發揮水利工程抵御洪水災害，防止堤岸侵蝕[1-2]。堤岸是陸地生態系統和水域生態系統之間的過渡區，在防洪度汛、生態保護及水土保持方面發揮著不可替代的作用。

桑干河擬通過流域綜合治理手段，解決地表徑流量持續減少、地下水超采嚴重、水資源開發利用不合理、河道斷流、河床沙化、濕地面積萎縮、水土流失和河灘地種植侵占河道等諸多問題，改善河流生態系統持續向綠色、健康的方向發展。固定橋蓄水工程作為桑干河河道綜合治理的一部分，可發揮涵養水源、補充地下水、凈化水質的重要作用。本文以桑干河固定橋生態蓄水工程為研究對象，利用Autobank 軟件對護堤和蓄水閘進行滲流計算，分析防滲系統實際效果。

1 工程概況

固定橋生態蓄水工程主要工程由蓄水閘、左岸生態護岸（堤）、右岸生態護堤組成。蓄水水位963.0 m，蓄水量112.4 萬m3。工程等別為Ⅳ等，主要建筑物蓄水閘、主槽右堤級別為4 級。蓄水閘左岸設置了上游長2772 m 生態護岸（堤）、下游長125 m 生態護岸，并采用格賓石籠扭面與閘室岸墻銜接起來。蓄水閘右岸堤防進行改造、加固，閘室上游堤防迎水面砌護與閘室岸墻上游端頭間采用混凝土扭面銜接；閘室下游堤防迎水面砌護與閘室岸墻下游端頭間采用格賓石籠扭面銜接。

為防止閘基及右堤滲透破壞、減小左岸浸沒影響，在左岸長生態護岸（堤）、閘室基底、右堤改造段混凝土重力式擋土墻基礎下設防滲墻，閘室基礎防滲墻為高壓噴射（擺噴）灌漿、堤防基礎防滲墻為水泥土攪拌樁，防滲墻總長約5378 m。護岸（堤）頂部至基礎相對隔水層進行水泥土攪拌樁防滲墻防滲處理，并將之與閘室及右岸防滲結合起來，形成一體防滲系統。工程地基處理見圖1。

圖1 桑干河生態蓄水工程地基處理斷面圖

2 穩定性分析評價

2.1 計算理論和方法

2.1.1 計算方法

（4）穩定滲流有限元計算式為[K]{H}={F}

式中：kx，ky為x、y 方向的滲透系數；H 為飽和—非飽和水流總水頭；[K]為滲透矩陣。

2.1.2 抗滑穩定計算

穩定滲流期抗滑穩定安全系數計算采用有效應力法，見式（1）：

式中：W 為土條重量，kN；u 為作用于土條底端孔隙壓力，kN/m2；W1為條塊在堤坡水位上部分重量；W2為條塊在水位下部分重量；Z 為水位高出條塊底面重點距離，m；γw為水的重量，kN/m3。

2.1.3 計算工具

計算采用河海大學開發的水工結構有限元分析系統Autobank7.08 計算。

2.2 蓄水閘滲流及穩定性計算

2.2.1 計算工況

根據工程實際，蓄水閘立閘蓄水時，閘門前水深3.2 m，因門頂溢流流量不大，閘后下游水深較低。閘門臥倒泄洪時，因閘室下游地形限制下泄水流不能順暢排出，上下游水位差不大。因此閘門立閘蓄水時為本計算最不利工況，滲流計算只考慮這一種工況：上游正常蓄水位與下游相應的最低水位。

2.2.2 計算參數

計算參數根據土工實驗成果及經驗取值確定，見表1。

表1 閘基滲流計算參數

2.2.3 滲流計算結果

圖2 正常蓄水位穩定滲流期水頭等值線圖

閘基各重點部位滲透比降計算結果見表2。

表2 閘基各重點部位滲透比降

2.2.4 成果分析

由表2 可以看出，閘室基礎各重點部位滲透比降均小于允許滲透比降。閘室地基條件：閘室基礎Q4al土層中上部低液限粉土夾砂層建基面開挖時已經全部挖除，閘室底板建基于Q4al土層中的級配不良砂、級配不良礫層之上，此兩層均為良好的透水體；Q4al土層之下的Q1土層低液限粘土層，屬于微透水性，為相對隔水層。

成果分析：對此種地層進行高壓噴射擺噴防滲墻防滲處理，從上至下游布設的鋼筋混凝土（底板、鋪蓋）+防滲墻+相對隔水層（Q1基層）的防滲系統防滲效果十分明顯，削減了約90%的滲透壓強水頭，相對應的，垂直防滲系統各部位的滲透比降也較大。防滲系統之后Q4al土層中的級配不良砂、級配不良礫層，振沖碎石樁復合地基中樁體與樁頂級配碎石墊層均為良好的透水、排水體；經過垂直防滲系統有效削減后的殘余滲透壓強水頭引起的地基土體出逸比降相當小，是合理的。

2.3 生態堤防滲流及計算

2.3.1 計算工況

根據工程實際，蓄水閘正常蓄水位963.0 m，采用防滲措施后堤防背水面有滲透水流及灘地匯水，從最不利角度考慮，計算取堤防背水面水位為堤腳高程。計算只考慮這一種工況：迎水面正常蓄水位與背水面相應的最低水位。

2.3.2 計算參數

一是加快生態清潔小流域建設理念推廣。圍繞服務城鄉一體化發展，努力拓展工作外延。將生態清潔小流域治理理念推廣到清河、涼水河等大中型流域的規劃與治理工作中。編制平原區生態清潔小流域規劃，在順義、豐臺、海淀、石景山、大興等區縣開展生態清潔小流域建設，使水土保持工作從小流域走向大流域，從山區走向平原。

計算參數根據土工實驗成果及經驗取值確定，其中工程勘察結果為：堤基上部全新統沖積物（Q4al）滲透系數為8×10-3cm/s，凝聚力（c）為13 kPa，內摩擦角（φ）為20.9°。下伏下更新統泥河灣組湖積物（Q11），滲透系數1×10-5cm/s，凝聚力（c）為17 kPa，內摩擦角（φ）為20°。原堤身土體：滲透系數1×10-4cm/s，凝聚力（c）為17 kPa，內摩擦角（φ）為19°。堤防培厚部分新堤身土體：滲透系數8×10-5cm/s，凝聚力（c）為20 kPa，內摩擦角（φ）為20°。

2.3.3 滲流計算結果

滲流計算結果見圖3。

圖3 正常蓄水位穩定滲流期水頭等值線圖

堤防滲流穩定計算結果見表3。

表3 堤防滲流穩定計算成果表

由表3 可以看出，閘室基礎各重點部位滲透比降均小于允許滲透比降。

2.4 堤防穩定性計算

2.4.1 計算工況

堤坡穩定計算考慮如下三種工況：

（1）正常運用條件：迎水面正常蓄水位時的下游堤坡；

（2）非常運用條件Ⅱ：迎水面正常蓄水位遭遇地震時的下游堤坡；

（3）非常運用條件Ⅰ：施工完建期無滲流時的上游堤坡。

2.4.2 堤坡穩定計算結果

計算結果見圖4～圖6。

圖4 正常蓄水位穩定滲流期下游堤坡滑弧位置圖

圖5 正常蓄水位+ 地震下游堤坡滑弧位置圖

圖6 施工完建期（無滲流）上游堤坡滑弧位置圖

計算成果見表4。

表4 堤防穩定性計算成果表

由表4 可見堤坡抗滑穩定均已滿足規范要求。

3 結語

桑干河固定橋生態蓄水工程堤基為全新統沖積（Q4al）低液限粉土、級配不良砂、級配不良礫層，結構松散，具中等透水性，而且在堤內外連續分布，形成滲漏層位，堤基下部Q1l低液限粘土為相對隔水底板。堤基存在滲漏問題。為防止閘基及右堤滲透破壞、減小左岸浸沒影響，改造段混凝土重力式擋土墻基礎下設防滲墻，閘室基礎防滲墻為高壓噴射（擺噴）灌漿、堤防基礎防滲墻為水泥土攪拌樁。通過建立模型，求解模型滲流場，根據比降等輸出數據對工程堤防和蓄水閘防滲效果進行評價，判斷滲透穩定性，得出設計方案是可靠合理的。