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(jù)我國出臺(tái)的“十三五”水利規(guī)劃，需要大量開展防洪治理工程建設(shè)，提高防洪能力水平，從而達(dá)到減少山洪災(zāi)害威脅的目的[3-5]。某流域?qū)僦衼啛釒貪櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，暴雨發(fā)生次數(shù)較多，暴雨歷時(shí)長、強(qiáng)度大。洪水過程線以單峰為主，受區(qū)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(zāi)害，每到汛期，交通因暴雨洪水而中斷，基礎(chǔ)設(shè)施、工礦企業(yè)、居民點(diǎn)等不同程度受損。頻繁發(fā)生的洪澇災(zāi)害直接制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，如何合理提升當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)水平顯得尤為重要。鑒于此，有必要及時(shí)開展該河道的防洪治理工程建設(shè)，從而保障當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓?cái)產(chǎn)安全。

該河道防洪治理工程位于某縣城河道下游，主要保護(hù)縣城某鎮(zhèn)場鎮(zhèn)建筑物及部分郊區(qū)農(nóng)田。根據(jù)設(shè)計(jì)方案顯示，該工程堤防均布置在河道左右兩岸。由于當(dāng)?shù)睾拥赖匦渭鞍哆吔ㄖ锏南拗?，同時(shí)考慮到工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性，擬建防洪堤的堤身采用當(dāng)?shù)啬雺菏逼率降谭篮秃庵負(fù)鯄?fù)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(shí)，承載力較低，壓縮模量低，屬高壓縮性土，對堤防結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(wěn)定性，從而指導(dǎo)和保障該工程建設(shè)順利開展。

2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)處于丘陵與低山過渡帶，地貌類型以構(gòu)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(qū)內(nèi)較大河流繼續(xù)分布有侵蝕堆積漫灘及階地。區(qū)域內(nèi)水系呈現(xiàn)不對稱樹枝狀分布，河谷寬闊，曲流發(fā)育，有多級階地分布。其中，沿河道河谷斷續(xù)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(xiàn)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(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，工區(qū)內(nèi)未見明顯的不良地質(zhì)現(xiàn)象，但巖體風(fēng)化、卸荷、河流沖刷等不良地質(zhì)作用明顯。工區(qū)上部為第四系全新統(tǒng)人工堆積層、第四系沖洪積、殘坡積堆積層，現(xiàn)將各地層巖性由老到新敘述如下：

據(jù)鉆孔揭露，工區(qū)內(nèi)沙溪廟組巖性多為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖，其強(qiáng)風(fēng)化厚度1.9～2.5 m，強(qiáng)風(fēng)化巖石巖心破碎，多為巖塊或巖餅，其采取率為50%～70%。弱風(fēng)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(zhì)泥巖風(fēng)化形成的粉質(zhì)壤土，其中含有未完全風(fēng)化的碎石，其含量小于15%，厚度0.5～2.0 m。表層多為粉質(zhì)壤土，紅褐色、褐灰色，可塑狀態(tài)，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(jié)構(gòu)松散，潮濕，偶夾薄層狀粉質(zhì)壤土透鏡體，厚度1.0～9.7 m。工程區(qū)的地質(zhì)勘探鉆孔巖芯取樣見圖1。

圖1 防洪堤工程區(qū)地質(zhì)勘探鉆孔巖芯取樣

3 計(jì)算參數(shù)、計(jì)算方法及計(jì)算工況

3.1 堤身計(jì)算巖土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)防洪堤現(xiàn)場勘查及室內(nèi)巖土試驗(yàn)結(jié)果，得到該堤防工程各項(xiàng)巖土力學(xué)參數(shù)。本次穩(wěn)定計(jì)算主要采用水工結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Autobank7.07進(jìn)行[6]，對堤身邊坡采用二維滲流有限元法[7-10]進(jìn)行分析計(jì)算。防洪堤堤身巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 防洪堤堤身巖體力學(xué)參數(shù)

3.2 堤身穩(wěn)定計(jì)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(zhì)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(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。衡重?fù)鯄?fù)合式堤段穩(wěn)定計(jì)算選取某學(xué)校圍墻外側(cè)的右岸堤防(樁號嘉A0+077.6)斷面作為典型斷面。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定[11]，瑞典圓弧法計(jì)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(nèi)摩擦角，(°)；Mc為慣性力力矩，kN·m。

3.3 堤身穩(wěn)定計(jì)算工況

根據(jù)該防洪堤實(shí)際情況，河道內(nèi)水位大部分時(shí)間內(nèi)比較穩(wěn)定，出現(xiàn)水位驟降的工況較少，僅存在小幅波動(dòng)。因此，選取堤身滲流穩(wěn)定的3種計(jì)算工況，具體如下：

①工況Ⅰ：設(shè)計(jì)洪水位——正常運(yùn)行情況

②工況Ⅱ：設(shè)計(jì)洪水位驟降1 m——正常運(yùn)行情況

③工況Ⅲ：施工完建期——非常運(yùn)行情況

4 堤身抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)上述堤身的巖體力學(xué)參數(shù)，采用水工結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Autobank中的瑞典圓弧法，計(jì)算得到3種工況下該防洪堤堤身的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，詳細(xì)結(jié)果見表2。計(jì)算結(jié)果包括左岸的碾壓石渣斜坡式堤防和右岸的衡重?fù)鯄?fù)合式堤防。

表2 瑞典圓弧法計(jì)算防洪堤堤身抗滑穩(wěn)定成果表

分析可知，在工況Ⅰ時(shí)，即在設(shè)計(jì)洪水位下的穩(wěn)定滲流期內(nèi)，左岸的碾壓石渣斜坡式堤防的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.171，而右岸的衡重?fù)鯄?fù)合式堤防邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.863，兩者均大于規(guī)范允許最小值1.10。而在工況Ⅱ時(shí)，河道內(nèi)水位從設(shè)計(jì)洪水位288.94 m驟降至287.94 m，水位變化幅度較小，此時(shí)左岸斜坡式堤防的安全系數(shù)為1.155，而右岸的復(fù)合式堤防邊坡的安全系數(shù)為1.792，兩者均大于規(guī)范允許最小值1.10。當(dāng)工況Ⅲ時(shí)，即在施工完建期內(nèi)，這時(shí)河道內(nèi)還處于無水狀態(tài)，不考慮河水作用，為非正常運(yùn)行狀況。此時(shí)左岸坡式堤防的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.057，而右岸的復(fù)合式堤防安全系數(shù)為1.217，兩者均大于規(guī)范允許最小值1.05。說明右岸的衡重?fù)鯄?fù)合式堤防邊坡的穩(wěn)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(wěn)定性最差。

圖2和圖3給出了采用瑞典圓弧法計(jì)算得到的左岸的碾壓石渣斜坡式堤防和右岸的衡重?fù)鯄?fù)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(nèi)側(cè)邊緣，穿過表層石渣料、中部的粉質(zhì)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?fù)鯄?fù)合式堤防，滑弧同樣起于坡頂內(nèi)側(cè)，中間穿過粉質(zhì)壤土層，從親水平臺(tái)內(nèi)側(cè)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(wěn)定計(jì)算結(jié)果(左A0+308.4)

圖3 復(fù)合式堤防段穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果(右A0+077.6)

根據(jù)上述對防洪堤左岸和右岸堤防的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)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(wěn)定性小于衡重式擋墻復(fù)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(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步復(fù)核。復(fù)核工具采用荷蘭PLAXIS B.V.公司開發(fā)的巖土有限元軟件PLAXIS 2D進(jìn)行模擬計(jì)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(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，工況為施工完建期，最終采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算得到堤防邊坡安全系數(shù)為1.061，與上文中采用瑞典圓弧法計(jì)算的1.057非常接近，且達(dá)到極限破壞狀態(tài)時(shí)的滑弧分布也基本相同，見圖4，說明本文的堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖4 斜坡式堤防段穩(wěn)定PLAXIS復(fù)核結(jié)果(左A0+308.4)

5 結(jié) 論

針對某擬建防洪堤河床堤基土碾壓難度大、不易壓實(shí)、承載力較低、壓縮模量低的問題，本文采用水工結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Autobank對該堤防邊坡在不同運(yùn)行工況下的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行了定量計(jì)算和分析，同時(shí)采用巖土有限元軟件PLAXIS 2D進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，得到以下相關(guān)結(jié)論：

1) 在各種正常運(yùn)行工況和非正常運(yùn)行工況下，左岸的碾壓石渣斜坡式堤防和右岸的衡重?fù)鯄?fù)合式堤防邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范最小允許值。最危險(xiǎn)狀況是在施工完建期時(shí)的左岸碾壓石渣斜坡式堤防，此時(shí)缺乏水壓力的作用，邊坡安全系數(shù)僅有1.057，故應(yīng)當(dāng)特別重視施工完成時(shí)左岸堤防的穩(wěn)定性。

2) 當(dāng)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，左岸碾壓石渣斜坡式堤防的滑弧起于坡頂內(nèi)側(cè)邊緣，穿過表層石渣料、中部的粉質(zhì)壤土以及砂土，從坡腳位置剪出。對于右岸的衡重?fù)鯄?fù)合式堤防，滑弧同樣起于坡頂內(nèi)側(cè)，中間穿過粉質(zhì)壤土層，從親水平臺(tái)內(nèi)側(cè)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(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算復(fù)核發(fā)現(xiàn)，PLAXIS計(jì)算得到的安全系數(shù)和最不利滑裂面與Autobank的計(jì)算結(jié)果基本一致，說明文中堤防邊坡的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的。