于海英
(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱150080)
在雙鴨山市安邦河干流堤防工程,根據(jù)GB18306—2001“中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖”中的附錄A《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》,該區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g;按地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度區(qū),在壩址周圍目前尚未發(fā)現(xiàn)有活斷層存在,因此,該區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性較好,按《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,堤坡穩(wěn)定不作地震靜動(dòng)力分析。
根據(jù)本工程特點(diǎn),堤防抗滑穩(wěn)定分析選取以下工況計(jì)算:
1)施工期的臨水側(cè)堤坡。
2)水位驟降情況的臨水側(cè)堤坡,水位自設(shè)計(jì)洪水位降至景觀水位。
3)設(shè)計(jì)洪水位下的穩(wěn)定滲流期的背水側(cè)堤坡。
4)施工期的背水側(cè)堤坡。
堤坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用剛體極限平衡法。對(duì)于均質(zhì)壩采用不計(jì)條塊間作用力的瑞典圓弧滑動(dòng)法計(jì)算法或采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算。
當(dāng)采用瑞典圓弧法計(jì)算時(shí),正常運(yùn)用條件下的最小安全系數(shù)為1.25;非常運(yùn)用情況下的最小安全系數(shù)為1.15;當(dāng)采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算時(shí),最小安全系數(shù)應(yīng)較瑞典圓弧法提高8%~10%。
穩(wěn)定計(jì)算方法由于對(duì)土體抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法的不同,分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。
1.2.1 總應(yīng)力法
1)施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計(jì)算:
2)水位降落期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計(jì)算:
式中:W01、W02為水位降落前中對(duì)應(yīng)水位Z0浸潤(rùn)線以上及以下條塊重,kN,水位以上W01取濕容重,kN/m3,水位以下W02取浮容重;W1、W2為水位降落后中對(duì)應(yīng)水位Z0以上及以下條塊重,kN,水位以上W1=h1γω+h2γs,水位以下W2取浮容重;γω為濕容重,kN/m3;γs為飽和容重,kN/m3;Z0為降落前水位,m;u為降落前沿滑弧孔隙水壓力,kPa。
圖1 穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖
式中:b為條塊寬度,m;W為條塊重力,W=W1+W2+ρWZb,kN;W1為在堤坡外水位以上的條塊重力,kN;W2為在堤坡外水位以下的條塊重力,kN;Z為堤坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離,m;u為穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力,kPa;β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角,°;γW為水的重度,kN/m3;Cu,φu,Ccu,φcu,C',φ'分別為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),kN/m3,°,應(yīng)按《土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定確定。
1.2.3 計(jì)算斷面選取
根據(jù)工程地質(zhì)勘探和土工試驗(yàn)成果,結(jié)合地形條件、堤防高度和填筑材料等,選取典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算,所選斷面為土體物理力學(xué)指標(biāo)值相對(duì)較差、堤防較高及代表性較好的斷面。
1.2.4 計(jì)算結(jié)果
設(shè)計(jì)采用條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算,典型斷面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表1。
計(jì)算結(jié)果表明,在不采取工程措施的情況下,典型斷面不能夠抗滑穩(wěn)定要求。
表1 典型斷面土壩穩(wěn)定計(jì)算成果表
1.2.5 堤防穩(wěn)定加固措施
根據(jù)計(jì)算,需對(duì)堤坡采取必要的加固處理措施:
1.2.5.1 下游堤坡穩(wěn)定措施
對(duì)于下游堤坡,經(jīng)計(jì)算,穩(wěn)定邊坡坡比需為1∶5~1∶6,堤防占地較大,城市景觀受影響。結(jié)合壩坡滲透穩(wěn)定處理,設(shè)計(jì)采取壓滲措施,壓滲體兼作堤基鎮(zhèn)壓平臺(tái),本著挖填土方平衡,盡量減少棄渣量的原則,鎮(zhèn)壓平臺(tái)設(shè)計(jì)寬度采用10 m,鎮(zhèn)壓平臺(tái)高度以高出浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)50 cm左右為準(zhǔn)。鎮(zhèn)壓平臺(tái)沿堤防方向總長(zhǎng)度6 174 m。其中左堤有11段,總長(zhǎng)2 928 m。
1.2.5.2 上游堤坡穩(wěn)定措施
根據(jù)城市總體及景觀規(guī)劃要求,河道斷面上口寬度需控制在80 m之內(nèi),上游邊坡坡比給定為1∶1.5,不允許放緩坡比,故而需采取工程加固措施,設(shè)計(jì)對(duì)上游邊坡采取土工格柵JWS護(hù)坡結(jié)構(gòu)固坡系統(tǒng)方案,其中土工格柵鋪設(shè)長(zhǎng)度為3.0 m。
計(jì)算結(jié)果表明,采取加固措施后,上下游邊坡穩(wěn)定計(jì)算的安全系數(shù)均能滿足抗滑穩(wěn)定要求。
2.1.1 計(jì)算基本資料
上下游農(nóng)堤分別選擇了有代表性的3個(gè)斷面,分別為上游農(nóng)堤砂堤砂基,下游農(nóng)堤土堤雙基、土堤砂基,上下游農(nóng)堤均為砂堤,砂堤橫斷面迎水坡比為1∶3,背水坡為1∶4。
2.1.2 堤身的滲流計(jì)算與滲流控制
2.1.2.1.滲流量計(jì)算公式
典型斷面的單寬滲流量及下游出逸點(diǎn)計(jì)算成果見表2。
表2 滲流量、下游逸出點(diǎn)高度計(jì)算成果表
2.1.2.2 浸潤(rùn)線計(jì)算
透水地基上的均質(zhì)土堤,由于地基透水的影響,堤身浸潤(rùn)線降低,按不透水地基的浸潤(rùn)線計(jì)算偏于安全。計(jì)算公式為:
式中:q1為堤身單位寬度滲流量,m3/s.m;k為堤身滲透系數(shù),cm/s;h0為下游邊坡出逸點(diǎn)高度,m。
設(shè)計(jì)狀況典型斷面浸潤(rùn)線計(jì)算成果見表3。
2.1.2.3 堤身背水坡滲流出口比降
1)砂堤。背水坡滲流出口比降按透水地基均質(zhì)砂堤砂基坡面滲流計(jì)算,沿滲出段的出滲坡降計(jì)算公式為:
式中:h0為下游邊坡出逸點(diǎn)高度,m;m2為0下游坡坡率;y為下游邊坡高度,m。
表3 浸潤(rùn)線計(jì)算成果表
砂堤不出現(xiàn)滲透破壞的允許比降為J允=0.15,砂堤背水坡沿滲出段的出滲比降都大于允許比降。堤腳背水坡滲流出口比降不滿足要求,需要采用壓滲措施解決。
2)土堤。背水坡滲流出口比降按不透水地基上均質(zhì)土堤坡面滲流計(jì)算,沿滲出段的出滲坡降計(jì)算公式為:
式中:JA為上部滲出A點(diǎn)出口比降;JB為堤坡與不透水面交點(diǎn)B點(diǎn)出口比降;m2為下游坡坡率。
經(jīng)計(jì)算求得:JA=0.371,JB=0.40。
土堤不出現(xiàn)滲透破壞的臨界比降通過計(jì)算Jk=1.69;允許比降:
土堤背水坡滲流出口比降滿足允許比降的要求。
2.1.3 堤基的滲流計(jì)算與滲流控制
沿線堤防的堤基主要為砂基和雙層結(jié)構(gòu)地基兩種類型。
砂基是指表層弱透水層厚度<0.50 m,或強(qiáng)透水層直接出露地表,堤基土主要由較厚含細(xì)粒土細(xì)砂和中粗砂等組成。砂基背水坡堤腳以外水平段出逸滲透比降由大變小,在滲流出口處一定范圍滲流出逸比降將大于地基土的允許出逸比降,可能由于堤腳處土體強(qiáng)度指標(biāo)降低而導(dǎo)致堤體失穩(wěn)產(chǎn)生滑坡。當(dāng)?shù)鼗骄冉挡荒軡M足要求時(shí),也可能產(chǎn)生滲透破壞,故堤基的滲流計(jì)算與控制主要是針對(duì)砂基堤防進(jìn)行。
砂基沿地基段出滲坡降計(jì)算公式為:
式中:h0為下游邊坡出逸點(diǎn)高度,m;m2為下游邊坡坡率;x為距坡腳的水平距離。
允許比降J允=0.15,堤腳附近外側(cè)砂土的滲流比降>0.15,故對(duì)砂基堤段采取壓滲處理。
2.2.1 堤型與計(jì)算方法
土堤:上下游均按簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算。
2.2.2 穩(wěn)定計(jì)算
2.2.2.1 計(jì)算條件
設(shè)計(jì)洪水位情況下游穩(wěn)定計(jì)算;水位驟降情況上游穩(wěn)定計(jì)算(由設(shè)計(jì)洪水位降至1/3壩高水位。
2.2.2.2 穩(wěn)定計(jì)算
砂土堤典型剖面穩(wěn)定計(jì)算按簡(jiǎn)化畢肖普法,堤防典型剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4。
由表4計(jì)算結(jié)果可以看出設(shè)計(jì)洪水情況下下游坡和水位驟降情況下上游坡砂土堤邊坡均滿足穩(wěn)定要求。
而當(dāng)迎水邊坡為2.5、背水邊坡為3.0時(shí),設(shè)計(jì)洪水情況下下游坡和水位驟降情況下上游坡砂土堤邊坡均不滿足穩(wěn)定要求。計(jì)算結(jié)果見表5。
由此,本次設(shè)計(jì)砂土堤迎水坡邊坡3.0、背水坡邊坡4.0是經(jīng)濟(jì)合理的。
表4 堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果
表5 堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果
根據(jù)以上計(jì)算,需要對(duì)堤坡、地基進(jìn)行加固處理。
2.3.1 上游農(nóng)堤
上游新建農(nóng)堤段均為砂堤,迎水坡穩(wěn)定邊坡坡比需要1∶6左右,為減少堤防占地,上游農(nóng)堤迎水坡坡比采用1∶3,背水坡坡比采用1∶4。結(jié)合迎水面護(hù)坡鋪設(shè)土工防滲膜,土工防滲膜延伸至迎水坡坡角前水平地面10 m。
2.3.2 下游農(nóng)堤
下游新建農(nóng)堤段均為砂土堤,迎水邊坡坡比1∶3,背水邊坡坡比1∶4(>6 m堤防設(shè)置馬道)。結(jié)合迎水面護(hù)坡鋪設(shè)土工防滲膜,土工防滲膜延伸至迎水坡坡角前水平地面10 m。
結(jié)合地基穩(wěn)定計(jì)算成果,背水坡砂基滲透穩(wěn)定處理措施采取延伸措施,設(shè)計(jì)壓滲平臺(tái)寬15 m,設(shè)計(jì)壓滲總長(zhǎng)度1 942 m。
結(jié)合地基穩(wěn)定計(jì)算成果,背水坡雙層地基滲透穩(wěn)定處理措施采用蓋重和減壓節(jié)滲溝。設(shè)計(jì)蓋重寬度20 m,蓋重壓滲體厚度為出逸點(diǎn)上加安全高0.50 m,設(shè)計(jì)厚度1.0 m;在蓋重平臺(tái)坡腳外開挖減壓排水溝,減壓排水溝開挖至強(qiáng)透水層,底寬1 m,邊坡1∶1;減壓排水溝采用干砌石護(hù)砌,下設(shè)碎石及砂礫石墊層各20 cm。設(shè)計(jì)蓋重及減壓溝總長(zhǎng)度3 220 m。
經(jīng)計(jì)算,采取加固措施后,上下游邊坡、地基穩(wěn)定計(jì)算的安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。
[1] 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.雙鴨山市安邦河干流整治工程可行性研究報(bào)告[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2010.
[2] 毛昶熙.堤防工程手冊(cè)[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2009.