双鸭山市安邦河干流堤坡稳定分析及措施

于海英

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

在双鸭山市安邦河干流堤防工程，根据GB18306—2001“中国地震动参数区划图”中的附录A《中国地震动峰值加速度区划图》，该区的地震动峰值加速度为0.05 g;按地震动峰值加速度分区对应的地震基本烈度为Ⅵ度区，在坝址周围目前尚未发现有活断层存在，因此，该区的区域稳定性较好，按《堤防设计规范》规定，堤坡稳定不作地震静动力分析。

1 主城区堤坡稳定分析及措施

1.1 计算工况选择

根据本工程特点，堤防抗滑稳定分析选取以下工况计算:

1)施工期的临水侧堤坡。

2)水位骤降情况的临水侧堤坡，水位自设计洪水位降至景观水位。

3)设计洪水位下的稳定渗流期的背水侧堤坡。

4)施工期的背水侧堤坡。

1.2 计算方法

堤坡抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法。对于均质坝采用不计条块间作用力的瑞典圆弧滑动法计算法或采用计及条块间作用力的简化毕肖普法计算。

当采用瑞典圆弧法计算时，正常运用条件下的最小安全系数为1.25;非常运用情况下的最小安全系数为1.15;当采用简化毕肖普法计算时，最小安全系数应较瑞典圆弧法提高8%～10%。

稳定计算方法由于对土体抗剪强度计算方法的不同，分为总应力法和有效应力法。计算简图见图1。

1.2.1 总应力法

1)施工期抗滑稳定安全系数可按下式计算:

2)水位降落期抗滑稳定安全系数可按下式计算:

式中:W01、W02为水位降落前中对应水位Z0浸润线以上及以下条块重，kN，水位以上W01取湿容重，kN/m3，水位以下W02取浮容重;W1、W2为水位降落后中对应水位Z0以上及以下条块重，kN，水位以上W1=h1γω+h2γs，水位以下W2取浮容重;γω为湿容重，kN/m3;γs为饱和容重，kN/m3;Z0为降落前水位，m;u为降落前沿滑弧孔隙水压力，kPa。

图1 稳定计算简图

式中:b为条块宽度，m;W为条块重力，W=W1+W2+ρWZb，kN;W1为在堤坡外水位以上的条块重力，kN;W2为在堤坡外水位以下的条块重力，kN;Z为堤坡外水位高出条块底面中点的距离，m;u为稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙压力，kPa;β为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°;γW为水的重度，kN/m3;Cu，φu，Ccu，φcu，C'，φ'分别为土的抗剪强度指标，kN/m3，°，应按《土坝设计规范》有关规定确定。

1.2.3 计算断面选取

根据工程地质勘探和土工试验成果，结合地形条件、堤防高度和填筑材料等，选取典型断面进行稳定计算，所选断面为土体物理力学指标值相对较差、堤防较高及代表性较好的断面。

1.2.4 计算结果

设计采用条块间作用力的简化毕肖普法进行计算，典型断面稳定计算结果见表1。

计算结果表明，在不采取工程措施的情况下，典型断面不能够抗滑稳定要求。

表1 典型断面土坝稳定计算成果表

1.2.5 堤防稳定加固措施

根据计算，需对堤坡采取必要的加固处理措施:

1.2.5.1 下游堤坡稳定措施

对于下游堤坡，经计算，稳定边坡坡比需为1∶5～1∶6，堤防占地较大，城市景观受影响。结合坝坡渗透稳定处理，设计采取压渗措施，压渗体兼作堤基镇压平台，本着挖填土方平衡，尽量减少弃渣量的原则，镇压平台设计宽度采用10 m，镇压平台高度以高出浸润线出逸点50 cm左右为准。镇压平台沿堤防方向总长度6 174 m。其中左堤有11段，总长2 928 m。

1.2.5.2 上游堤坡稳定措施

根据城市总体及景观规划要求，河道断面上口宽度需控制在80 m之内，上游边坡坡比给定为1∶1.5，不允许放缓坡比，故而需采取工程加固措施，设计对上游边坡采取土工格栅JWS护坡结构固坡系统方案，其中土工格栅铺设长度为3.0 m。

计算结果表明，采取加固措施后，上下游边坡稳定计算的安全系数均能满足抗滑稳定要求。

2 上、下游农堤段堤防稳定分析及措施

2.1 堤身的渗流计算与渗流控制

2.1.1 计算基本资料

上下游农堤分别选择了有代表性的3个断面，分别为上游农堤砂堤砂基，下游农堤土堤双基、土堤砂基，上下游农堤均为砂堤，砂堤横断面迎水坡比为1∶3，背水坡为1∶4。

2.1.2 堤身的渗流计算与渗流控制

2.1.2.1.渗流量计算公式

典型断面的单宽渗流量及下游出逸点计算成果见表2。

表2 渗流量、下游逸出点高度计算成果表

2.1.2.2 浸润线计算

透水地基上的均质土堤，由于地基透水的影响，堤身浸润线降低，按不透水地基的浸润线计算偏于安全。计算公式为:

式中:q1为堤身单位宽度渗流量，m3/s.m;k为堤身渗透系数，cm/s;h0为下游边坡出逸点高度，m。

设计状况典型断面浸润线计算成果见表3。

2.1.2.3 堤身背水坡渗流出口比降

1)砂堤。背水坡渗流出口比降按透水地基均质砂堤砂基坡面渗流计算，沿渗出段的出渗坡降计算公式为:

式中:h0为下游边坡出逸点高度，m;m2为0下游坡坡率;y为下游边坡高度，m。

表3 浸润线计算成果表

砂堤不出现渗透破坏的允许比降为J允=0.15，砂堤背水坡沿渗出段的出渗比降都大于允许比降。堤脚背水坡渗流出口比降不满足要求，需要采用压渗措施解决。

2)土堤。背水坡渗流出口比降按不透水地基上均质土堤坡面渗流计算，沿渗出段的出渗坡降计算公式为:

式中:JA为上部渗出A点出口比降;JB为堤坡与不透水面交点B点出口比降;m2为下游坡坡率。

经计算求得:JA=0.371，JB=0.40。

土堤不出现渗透破坏的临界比降通过计算Jk=1.69;允许比降:

土堤背水坡渗流出口比降满足允许比降的要求。

2.1.3 堤基的渗流计算与渗流控制

沿线堤防的堤基主要为砂基和双层结构地基两种类型。

砂基是指表层弱透水层厚度＜0.50 m，或强透水层直接出露地表，堤基土主要由较厚含细粒土细砂和中粗砂等组成。砂基背水坡堤脚以外水平段出逸渗透比降由大变小，在渗流出口处一定范围渗流出逸比降将大于地基土的允许出逸比降，可能由于堤脚处土体强度指标降低而导致堤体失稳产生滑坡。当地基平均比降不能满足要求时，也可能产生渗透破坏，故堤基的渗流计算与控制主要是针对砂基堤防进行。

砂基沿地基段出渗坡降计算公式为:

式中:h0为下游边坡出逸点高度，m;m2为下游边坡坡率;x为距坡脚的水平距离。

允许比降J允=0.15，堤脚附近外侧砂土的渗流比降＞0.15，故对砂基堤段采取压渗处理。

2.2 边坡稳定分析与计算

2.2.1 堤型与计算方法

土堤:上下游均按简化毕肖普法进行计算。

2.2.2 稳定计算

2.2.2.1 计算条件

设计洪水位情况下游稳定计算;水位骤降情况上游稳定计算(由设计洪水位降至1/3坝高水位。

2.2.2.2 稳定计算

砂土堤典型剖面稳定计算按简化毕肖普法，堤防典型剖面边坡稳定计算结果见表4。

由表4计算结果可以看出设计洪水情况下下游坡和水位骤降情况下上游坡砂土堤边坡均满足稳定要求。

而当迎水边坡为2.5、背水边坡为3.0时，设计洪水情况下下游坡和水位骤降情况下上游坡砂土堤边坡均不满足稳定要求。计算结果见表5。

由此，本次设计砂土堤迎水坡边坡3.0、背水坡边坡4.0是经济合理的。

表4 堤防边坡稳定计算结果

表5 堤防边坡稳定计算结果

2.3 边坡、地基稳定防护措施

根据以上计算，需要对堤坡、地基进行加固处理。

2.3.1 上游农堤

上游新建农堤段均为砂堤，迎水坡稳定边坡坡比需要1∶6左右，为减少堤防占地，上游农堤迎水坡坡比采用1∶3，背水坡坡比采用1∶4。结合迎水面护坡铺设土工防渗膜，土工防渗膜延伸至迎水坡坡角前水平地面10 m。

2.3.2 下游农堤

下游新建农堤段均为砂土堤，迎水边坡坡比1∶3，背水边坡坡比1∶4(＞6 m堤防设置马道)。结合迎水面护坡铺设土工防渗膜，土工防渗膜延伸至迎水坡坡角前水平地面10 m。

结合地基稳定计算成果，背水坡砂基渗透稳定处理措施采取延伸措施，设计压渗平台宽15 m，设计压渗总长度1 942 m。

结合地基稳定计算成果，背水坡双层地基渗透稳定处理措施采用盖重和减压节渗沟。设计盖重宽度20 m，盖重压渗体厚度为出逸点上加安全高0.50 m，设计厚度1.0 m;在盖重平台坡脚外开挖减压排水沟，减压排水沟开挖至强透水层，底宽1 m，边坡1∶1;减压排水沟采用干砌石护砌，下设碎石及砂砾石垫层各20 cm。设计盖重及减压沟总长度3 220 m。

经计算，采取加固措施后，上下游边坡、地基稳定计算的安全系数均能满足规范要求。

［1］ 黑龙江省水利水电勘测设计研究院.双鸭山市安邦河干流整治工程可行性研究报告［R］.哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2010.

［2］ 毛昶熙.堤防工程手册［S］.北京:中国水利水电出版社，2009.