某碾壓石渣料防洪堤邊坡穩定有限元計算分析

劉俊青

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005)

1 工程概況

防洪堤作為重要的水工建筑物，在我國河道防洪保安的問題上扮演著重要角色[1-2]。根據我國出臺的“十三五”水利規劃，需要大量開展防洪治理工程建設，提高防洪能力水平，從而達到減少山洪災害威脅的目的[3-5]。某流域屬中亞熱帶溫潤季風氣候區，暴雨發生次數較多，暴雨歷時長、強度大。洪水過程線以單峰為主，受區域年際氣候變化，洪水年際變化較大。該河道流域夏秋多雨，暴雨集中，每年都有不同程度的洪澇災害，每到汛期，交通因暴雨洪水而中斷，基礎設施、工礦企業、居民點等不同程度受損。頻繁發生的洪澇災害直接制約著當地經濟和社會的發展，如何合理提升當地防災減災水平顯得尤為重要。鑒于此，有必要及時開展該河道的防洪治理工程建設，從而保障當地人民的生命和財產安全。

該河道防洪治理工程位于某縣城河道下游，主要保護縣城某鎮場鎮建筑物及部分郊區農田。根據設計方案顯示，該工程堤防均布置在河道左右兩岸。由于當地河道地形及岸邊建筑物的限制，同時考慮到工程的安全性和經濟性，擬建防洪堤的堤身采用當地碾壓石渣斜坡式堤防和衡重擋墻復合式堤防兩種類型，堤高一般在6～8 m之間，水利工程水工建筑物級別為五級。

擬建防洪堤的河床沖洪積層土體砂粒含量偏大，含水量偏大，不易排水，作為堤基土存在碾壓難度大，不易壓實，承載力較低，壓縮模量低，屬高壓縮性土，對堤防結構的穩定性存在不利影響。因此，有必要分析在各種工況下堤防邊坡的整體穩定性，從而指導和保障該工程建設順利開展。

2 工程地質條件

工程區處于丘陵與低山過渡帶，地貌類型以構造剝蝕寬谷塔狀、斜面狀中淺丘為主，并沿大背斜核部形成一系列北東向的狹長低山。此外，工程區內較大河流繼續分布有侵蝕堆積漫灘及階地。區域內水系呈現不對稱樹枝狀分布，河谷寬闊，曲流發育，有多級階地分布。其中，沿河道河谷斷續有四級階地分布，分別高出枯水位7～17 m、30～50 m、70～90 m、105～124 m，表現為壯年期河谷地貌特征。第四系松散堆積層主要分布在河床、漫灘及緩坡低洼地帶。

據現場地質調查，工區內未見明顯的不良地質現象，但巖體風化、卸荷、河流沖刷等不良地質作用明顯。工區上部為第四系全新統人工堆積層、第四系沖洪積、殘坡積堆積層，現將各地層巖性由老到新敘述如下：

據鉆孔揭露，工區內沙溪廟組巖性多為紫紅色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、砂巖，其強風化厚度1.9～2.5 m，強風化巖石巖心破碎，多為巖塊或巖餅，其采取率為50%～70%。弱風化巖石巖心較完整，多10～30 cm的柱狀，其采取率在80%～90%以上。巖層主要為泥巖、粉砂質泥巖風化形成的粉質壤土，其中含有未完全風化的碎石，其含量小于15%，厚度0.5～2.0 m。表層多為粉質壤土，紅褐色、褐灰色，可塑狀態，有明顯的砂感，偶夾薄砂層，厚度1.8～4.8 m；下部多為砂層，褐黃色、灰白色，結構松散，潮濕，偶夾薄層狀粉質壤土透鏡體，厚度1.0～9.7 m。工程區的地質勘探鉆孔巖芯取樣見圖1。

圖1 防洪堤工程區地質勘探鉆孔巖芯取樣

3 計算參數、計算方法及計算工況

3.1 堤身計算巖土力學參數

根據防洪堤現場勘查及室內巖土試驗結果，得到該堤防工程各項巖土力學參數。本次穩定計算主要采用水工結構有限元分析軟件Autobank7.07進行[6]，對堤身邊坡采用二維滲流有限元法[7-10]進行分析計算。防洪堤堤身巖體力學參數見表1。

表1 防洪堤堤身巖體力學參數

3.2 堤身穩定計算方法

本工程左岸堤防斷面堤后填筑量大，砂土層較厚，地質條件差。因此，本工程斜坡式堤防段選取左岸堤防(樁號左A0+308.4)斷面作為典型斷面進行穩定計算。衡重擋墻復合式堤段穩定計算選取某學校圍墻外側的右岸堤防(樁號嘉A0+077.6)斷面作為典型斷面。根據相關規范規定[11]，瑞典圓弧法計算公式如下：

(1)

式中：W為土條重量，kN；Q、V為水平和垂直地震慣性力，kN；μ為空隙壓力，kN/m2；α為重力線與地面之間的夾角，(°)；b為土條寬度，m；c′、φ′為有效凝聚力，kN/m2和內摩擦角，(°)；Mc為慣性力力矩，kN·m。

3.3 堤身穩定計算工況

根據該防洪堤實際情況，河道內水位大部分時間內比較穩定，出現水位驟降的工況較少，僅存在小幅波動。因此，選取堤身滲流穩定的3種計算工況，具體如下：

①工況Ⅰ：設計洪水位——正常運行情況

②工況Ⅱ：設計洪水位驟降1 m——正常運行情況

③工況Ⅲ：施工完建期——非常運行情況

4 堤身抗滑穩定分析

根據上述堤身的巖體力學參數，采用水工結構有限元分析軟件Autobank中的瑞典圓弧法，計算得到3種工況下該防洪堤堤身的抗滑穩定安全系數，詳細結果見表2。計算結果包括左岸的碾壓石渣斜坡式堤防和右岸的衡重擋墻復合式堤防。

表2 瑞典圓弧法計算防洪堤堤身抗滑穩定成果表

分析可知，在工況Ⅰ時，即在設計洪水位下的穩定滲流期內，左岸的碾壓石渣斜坡式堤防的抗滑穩定安全系數為1.171，而右岸的衡重擋墻復合式堤防邊坡的抗滑穩定安全系數為1.863，兩者均大于規范允許最小值1.10。而在工況Ⅱ時，河道內水位從設計洪水位288.94 m驟降至287.94 m，水位變化幅度較小，此時左岸斜坡式堤防的安全系數為1.155，而右岸的復合式堤防邊坡的安全系數為1.792，兩者均大于規范允許最小值1.10。當工況Ⅲ時，即在施工完建期內，這時河道內還處于無水狀態，不考慮河水作用，為非正常運行狀況。此時左岸坡式堤防的穩定安全系數為1.057，而右岸的復合式堤防安全系數為1.217，兩者均大于規范允許最小值1.05。說明右岸的衡重擋墻復合式堤防邊坡的穩定性較好，而左岸的碾壓石渣斜坡式堤防的相對更差，特別是在施工完建期左岸堤防的穩定性最差。

圖2和圖3給出了采用瑞典圓弧法計算得到的左岸的碾壓石渣斜坡式堤防和右岸的衡重擋墻復合式堤防不利滑裂面。從圖2可以看出，對于左岸的碾壓石渣斜坡式堤防，其滑弧起于坡頂內側邊緣，穿過表層石渣料、中部的粉質壤土以及砂土，從坡腳位置剪出。從圖3可以看出，對于右岸的衡重擋墻復合式堤防，滑弧同樣起于坡頂內側，中間穿過粉質壤土層，從親水平臺內側坡腳的石渣料處滑出，不涉及深層的砂土層。

圖2 斜坡式堤防段穩定計算結果(左A0+308.4)

圖3 復合式堤防段穩定計算結果(右A0+077.6)

根據上述對防洪堤左岸和右岸堤防的穩定計算結果可知，堤防邊坡最不利工況為工況Ⅲ，即施工期完建期，且斜坡式堤防邊坡的穩定性小于衡重式擋墻復合式堤防。因此，有必要對斜坡式堤防邊坡在施工期完建期的穩定性進行進一步復核。復核工具采用荷蘭PLAXIS B.V.公司開發的巖土有限元軟件PLAXIS 2D進行模擬計算[12]。為了便于對比分析，同樣對圖2的左岸A0+308.4斷面的碾壓石渣斜坡式堤防進行穩定性計算，工況為施工完建期，最終采用有限元強度折減法計算得到堤防邊坡安全系數為1.061，與上文中采用瑞典圓弧法計算的1.057非常接近，且達到極限破壞狀態時的滑弧分布也基本相同，見圖4，說明本文的堤防邊坡穩定計算結果是準確的。

圖4 斜坡式堤防段穩定PLAXIS復核結果(左A0+308.4)

5 結 論

針對某擬建防洪堤河床堤基土碾壓難度大、不易壓實、承載力較低、壓縮模量低的問題，本文采用水工結構有限元分析軟件Autobank對該堤防邊坡在不同運行工況下的抗滑穩定性進行了定量計算和分析，同時采用巖土有限元軟件PLAXIS 2D進行復核計算，得到以下相關結論：

1) 在各種正常運行工況和非正常運行工況下，左岸的碾壓石渣斜坡式堤防和右岸的衡重擋墻復合式堤防邊坡的抗滑穩定安全系數均大于規范最小允許值。最危險狀況是在施工完建期時的左岸碾壓石渣斜坡式堤防，此時缺乏水壓力的作用，邊坡安全系數僅有1.057，故應當特別重視施工完成時左岸堤防的穩定性。

2) 當達到極限狀態時，左岸碾壓石渣斜坡式堤防的滑弧起于坡頂內側邊緣，穿過表層石渣料、中部的粉質壤土以及砂土，從坡腳位置剪出。對于右岸的衡重擋墻復合式堤防，滑弧同樣起于坡頂內側，中間穿過粉質壤土層，從親水平臺內側坡腳的石渣料處滑出，但不涉及深層的砂土層。

3) 通過采用巖土有限元軟件PLAXIS 2D對左岸堤防邊坡進行穩定性計算復核發現，PLAXIS計算得到的安全系數和最不利滑裂面與Autobank的計算結果基本一致，說明文中堤防邊坡的穩定計算結果是準確的。