徐州市大沙河河道治理工程邊坡穩定性分析

◎ 劉攀 郭連峰 紀鳳杰 王朝 黃偉

1.徐州市水利建筑設計研究院有限公司；2.鹽城市水利勘測設計研究院有限公司

黃泛區形成的寬淺漫灘河流，河道兩岸大多由黃河沖積的粉砂構成，地勢高亢，土地瘠薄，河床因自然沖積形成，寬淺彎曲，兩岸堤身單薄，且殘缺不全，汛期洪水行洪不暢，經常漫溢成災[1]。平時河床無水時，飛砂彌漫，一遇來水又極易沖蝕，造成嚴重水土流失和淤積河湖。河道淤積影響排澇、行洪需要進行清淤疏浚，但是在清淤過程中會影響河道邊坡的穩定性。前人對一般邊坡穩定性研究進行了充分研究[2,3]，但是針對黃泛區的河道岸坡研究較少，本文以黃泛區大沙河為研究對象，對河道治理工程邊坡的穩定性進行分析與評價，同時為同類型的研究提供一定的參考。

1.工程概況

本次治理大沙河長32.6k m，河道底寬5 0 ～1 9 0 m，河底高程34.0m～30.0m，邊坡1:3～1:4，現狀灘面高程39.8～35.0m，寬約50～200m，李莊閘下入湖口處，局部相對較窄，甚至無灘面。兩岸堤防基本連續，堤防一般高3～5m，堤頂高程43.0～40.0m，堤頂寬度2～5m，邊坡1:3。根據現場勘查，堤身無裂縫、塌陷、跌窩等險情不良工程現象，但沿線堤防主要存在堤防沿線建筑物及穿堤道路位置多存在堤防缺口等問題。

2.堤防岸坡設計

2.1 堤型的確定

本次治理河道中心線基本沿原河口中心線走向，向兩側開挖，開挖河道中心線與原河道中心線基本一致或與原河道中心線基本保持平行[4]。針對微彎段進行適當切角抹彎。為了減少工程量，彎道段基本維持現狀彎道半徑，不作裁彎取直。

河道堤線的布置應根據河流走勢，以河道洪水流向為主，盡可能兼顧原有河道和河岸線的彎曲形態，保留原有彎直河道，在原有河槽基礎上固定凹岸，并充分利用原存河岸及河道兩側人工建筑物等特點，實現上下游平順銜接，以確保分洪安全和河勢穩定[5]。

根據該河道堤防的特點、堤址地質條件、復堤土料、工程結構及填筑方式，確定設計堤型為均質土堤，復堤土料為河道開挖土方，堤頂寬度為10m，迎水坡為1:4、背水坡為1:4。

2.2 河道邊坡高程計算

根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013），堤防高程按設計洪水位加堤身超高確定，堤身超高計算如下：

式中：Y為堤身超高/m；e為設計風壅水面高度/m；R為設計波浪爬高/m；A為安全加高/m，本文治理河道屬于3級堤防，所以取A=0.7m。

在確定江河等內陸水域堤防高程時，非常有必要考慮風壅水高度。在有限風區下的風壅水面高度可以按以下公式進行計算：

式中：V為設計風速，大沙河以東南風為主導風向，風向與波浪近似認為同一方向，按照計算波浪的風速20.0m/s確定；K為綜合摩阻系數，取3.6×10-6；F為風區長度，計算點風區長度為600m；β為計算風向與堤岸軸線法線的夾角，取β=45°。河道20年一遇設計水位至設計灘面的平均水深為2m左右，經計算得到e=0.02。

根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）。在風的直接作用下，正向來的波在單一斜坡上的波浪爬高的計算公式如下：

根據風壅水面高度和波浪爬高計算，堤防超高Y=0.02+0.62+0.7=1.34m，為了安全保留，取Y=1.5m。

3.河道邊坡穩定性計算

3.1 滲流穩定計算

水在土體內滲透會引起土體內部應力狀態的改變，從而引起土體內部原有的穩定條件發生變化，造成滲透破壞，同時土體滲透性的強弱，對土體的固結、強度發展及工程施工都有很大的影響。根據Darcy定律和滲流連續方程，對于飽和—非飽和土體中的滲流，連續方程如式（4）所示。

選取河道深度相對較大、地質復雜斷面樁號5+050左岸、20+560左岸、29+200右岸、54+100左岸和57+500右岸作為典型斷面進行滲透計算作為典型斷面進行滲流計算，該斷面各土層的滲透系數和相關地質參數詳見地質勘查報告，這里不再贅述。

場地內第①層砂壤土夾粉砂滲透變形破壞類型為流土型，建議允許水力比降為0.30，通過計算河道邊坡滲透穩定計算來判定岸坡是否發生破壞，計算結果如表1所示。

表1 河道邊坡滲流穩定計算結果

3.2 邊坡抗滑穩定驗算

河道邊坡分析施工期和行洪穩定滲流期臨水側堤坡的穩定性，采用瑞典圓弧條分法計算抗滑安全系數。其基本原理是：當土體發生破壞時，土中應力條件比較復雜，滑面上各點的抗剪強度分布同該點法向壓力有關且是不均勻的。將滑移體進行垂直條分，忽略土條兩側條間力，假設土體內的圓弧破壞面的土體均繞一個圓心轉動，當其滑動力矩大于抗滑力矩時，則邊坡不穩，反之，邊坡穩定性良好，瑞典條分法計算公式見式（5）。

式中：FS為安全系數；MR為滑移面上土條抗滑力矩之和；MT為滑移面上土條抗滑動力之和；Wi為第i塊土條的質量；αi為第i塊土條剪切面與水平面的夾角，φi為第i塊土條滑動面的內摩擦角；ci為第i塊土條粘聚力；li為第i塊土條滑弧弧長。

本工程堤防邊坡抗滑穩定性，按照規范計算施工期和設計洪水位下穩定滲流期兩種工況下的邊坡穩定性。在施工期，由于疏浚河道治理工程的開展，河底淤泥被清除，河岸邊坡滲流場和應力場發生變化，坡體內將受到高剪切力和有效應力改變而出現滑坡的危險，并且這種可能出現的滑坡模式為典型的牽引式發展模式。行洪穩定滲流期，河道水位上升引起邊坡內外水頭差進而產生由坡內向坡外的滲流力來抑制邊坡塑性區發展，水位上升初期能提升邊坡穩定性，但隨著水位趨于穩定，水位荷載的影響會導致滑移面向深處發展。本研究以斷面樁號5+050左岸、20+560左岸、29+200右岸、54+100左岸和57+500右岸作為典型斷面分析兩種工況下的邊坡穩定性，計算方式如圖1、圖2所示。計算結果如表2所示。

圖1 邊坡穩定性計算簡圖

圖2 邊坡安全系數計算圖

表2 邊坡穩定性計算值

根據規范施工期的邊坡安全系數最小值不能低于1.1，設計洪水位穩定滲流期的最小安全系數不能低于1.2，本研究工程根據瑞典圓弧法求得的安全系數趨于保守，但是計算值均滿足要求，5個型斷面的計算結果，安全系數最小的57+500右岸斷面達1.5，遠大于1.1。而穩定滲流期斷面計算值最小為1.36，大于規范要求1.2，所以采用1：4坡比進行放坡處理和河道疏浚，河岸邊坡的穩定性可得到保證。

4.結論

通過對黃泛區大沙河河道治理工程邊坡穩定性分析可以得到以下結論：

（1）開挖河道中心線與原河道中心線基本一致或與原河道中心線基本保持平行，河岸邊坡比取1：4，堤身超高取1.5，河道邊坡滲流穩定性滿足要求。

（2）取典型斷面計算施工期和設計洪水位下穩定滲流期兩種工況，在采取的河道設計方案下，穩定性安全系數均滿足規范要求。