張靜靜，時啟軍，徐 磊，孫蓬勃

（1.河北省水利規(guī)劃設計研究院有限公司，石家莊 050021；2.南水北調(diào)中線干線工程建設管理局河北分局，石家莊 050000）

1 工程概況

樂亭縣位于河北省唐山市東南部灤河下游，地處環(huán)渤海灣中心地帶和京津唐秦4市環(huán)抱之中，地處環(huán)渤海經(jīng)濟中心區(qū)域的京唐港區(qū)腹地黃金地帶，近年經(jīng)濟發(fā)展較快。2018年，樂亭縣入選全國投資潛力百強縣市、綠色發(fā)展百強縣市，入選2018全國“幸福百縣榜”，并重新確認國家衛(wèi)生縣城。

樂亭縣二灤河防洪小埝，自灤樂交界處至入海口。目前存在問題為防洪小埝筑堤材料主要為砂性土，在多年的運用中風吹、雨刷剝蝕堤身，致使堤頂高程降低、堤身縮窄，影響了小埝行洪能力。

2 工程地質(zhì)

工程區(qū)地處渤海沿岸的薊灤沖洪積平原區(qū)，由西北向東南傾斜，構(gòu)成廣闊的近海平原。河床呈寬淺型，河床及漫灘地表大部分被粉細砂或砂壤土覆蓋，小埝內(nèi)外種植有大量樹木和大棚果蔬。

二灤河小埝地層巖性由壤土、砂壤土、粉細砂、含碎石黏土（剝巖土為主）、雜填土等組成，局部夾黏土層；堤基巖性主要由壤土、粉砂、細砂、中砂等組成，局部為黏土、砂壤土層。二灤河小埝上游段Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度為0.15g，二灤河小埝下游段Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度為0.10g，相應地震烈度為Ⅶ度。場區(qū)設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅲ類。

3 填筑方案擬定

工程段堤埝，堤基多為砂性土，背水側(cè)無復堤條件，本次采取迎水側(cè)復堤，使堤埝防洪標準由3～5年一遇提高到10年一遇。本工程防洪小埝迎水側(cè)加高培厚段較長，填筑量所占比重較大，根據(jù)當?shù)刂炭衫猛恋奈锢砹W特性、分布和儲量，并結(jié)合已實施段的經(jīng)驗，擬選擇以下3個方案對迎水側(cè)復堤進行經(jīng)濟技術指標比選。

方案1：取河道內(nèi)粉細砂加筋填筑

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，灤河干流河床主槽內(nèi)砂性土可滿足堤防填筑用量要求。堤埝迎、背水坡坡比為1∶3，迎水側(cè)設置土工格柵加筋，迎水側(cè)防護結(jié)構(gòu)自上而下分別為40cm厚漿砌石護坡和0.5mm厚兩布一膜復合土工膜，背水側(cè)采用混凝土框格植草防護，對現(xiàn)狀堤基為砂性土的堤段，背水坡坡腳以上1.5m坡面設置了反濾排水措施，反濾結(jié)構(gòu)層自上而下分別為30cm厚干砌石、10cm厚碎石墊層和土工布。

圖1 方案1典型橫斷面（砂性土復堤）

方案2：外購土填筑

根據(jù)以往已實施段工程經(jīng)驗，采用外購剝巖土填筑。剝巖土以全風化的黏土巖、壤土為主，黏粒含量、滲透系數(shù)等物理力學性質(zhì)試驗指標基本滿足規(guī)范要求，在灤河和二灤河已實施項目中普遍使用，填筑效果較好。堤埝迎、背水坡坡比均為1∶3。根據(jù)不同河段的水流條件，迎水坡分別選用漿砌石、混凝上連鎖磚和混凝土框格植草護坡進行防護，對現(xiàn)狀堤身為粉細砂的堤段，背水側(cè)采用干砌石或混凝土框格植草防護。

圖2 方案2典型橫斷面（外購剝巖土復堤）

方案3：迎水側(cè)采用剝巖土+砂性土填筑

根據(jù)“前堵后排”的原則，在迎水側(cè)設防滲體斜墻，防滲體采用外購黏性土填筑，頂部位于路面以下，頂寬2m，迎水側(cè)坡比為1∶3，自上而下逐漸加厚，設計水位以下最小厚度不小于1m，堤基以下齒槽深度2m，防滲體后采用河灘地砂性土填筑；迎、背水側(cè)護坡結(jié)構(gòu)型式與方案2相同。

圖3 方案3典型橫斷面（外購黏性土+砂性土）

4 方案比選

方案1優(yōu)點為填筑土料遵循了“就近取土”的原則，取土區(qū)緊鄰工程區(qū)，調(diào)土運距較短，調(diào)土可利用場區(qū)施工臨時道路，避免外界干擾，調(diào)土難度相對較小。缺點為砂性土的物理力學參數(shù)相對較低，堤防在高水位行洪時砂性土堤身存在較大隱患，一旦出現(xiàn)險工時搶險難度較大，砂性土填筑質(zhì)量受施工質(zhì)量影響較大，背水側(cè)須設置反濾排水等工程措施，工程后期管理存在一定難度。

方案2剝巖土以全風化的黏土巖為主。根據(jù)地質(zhì)勘察成果，物理力學性質(zhì)試驗指標基本滿足規(guī)范要求，在灤河以往的年度實施項目中已有多個工程大量使用剝巖土作為筑堤材料的實例，填筑效果很好。料源緊鄰公路，交通便利，其儲量能夠滿足本工程設計用量。缺點為運距較遠，單價高，總體投資上相對較高，且土料中夾雜粒徑較大的塊石，填筑前須對土料進行篩分。

方案3的優(yōu)點是將方案1和方案2相結(jié)合。與方案1對比，迎水側(cè)設剝巖土防滲體，優(yōu)化了防滲效果；與方案2對比，在防滲體后采用就地取砂性土替代部分外購剝巖土，減少了外購土工程量，緩解了調(diào)土壓力，優(yōu)化了工程投資。缺點為盡管迎水側(cè)采用了防滲體，但由于背水側(cè)采用砂性土填筑，仍需要采取相應的工程措施，維修養(yǎng)護成本較高，另外，該方案須根據(jù)不同土料分區(qū)域填筑，施工難度較大，施工質(zhì)量不易控制。

從工程運行安全、施工難度、工程投資等方面考慮，穿村段及現(xiàn)狀未治理堤埝，本次復堤推薦采用方案2：迎水側(cè)復堤，筑堤土為剝巖土。

5 填筑設計

5.1 滲透穩(wěn)定計算

5.1.1 滲透變形類型判別

原埝身填筑土為人工填土，巖性主要由壤土、砂壤土、粉細砂、含碎石黏土、雜填土等組成，局部夾黏土層。其主要滲透破壞類型為流土。二灤河右埝的各土層，允許的水力比降的建議值：壤土為0.40，砂壤土為0.35，粉砂為0.25，細砂為0.20。

5.1.2 出逸坡降的計算

采用有限元法計算滲流浸潤線，應用《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)》分析計算滲流浸潤線與滲流場。

其假定滲透介質(zhì)（土石體）不可被壓縮，滲流流態(tài)符合達西定律，則基本方程為：

式中 H為水頭函數(shù)；x，y為空間坐標；kx，ky為以x，y軸為主軸方向的滲透系數(shù)。

初始條件：

邊界條件：

第一類邊界（水頭邊界）：

第二類邊界（流量邊界）：

滲流自由面邊界：

式中 n是邊界Γ2的外法向。

依據(jù)泛函變分的原理，將研究區(qū)劃分為有限個計算單元，其中任意點的水頭，由單元結(jié)點水頭通過插值確定。通過對單元的集成，建立相應的代數(shù)方程組。對方程組求解，即可得出滲流場的數(shù)值解，即各結(jié)點的水頭值，也就是滲流自由面水頭線。

5.1.3 滲透工況計算

滲流及滲透穩(wěn)定計算依據(jù)GB50286—2013《堤防工程設計規(guī)范》中的規(guī)定，設定計算工況如下：

工況1：穩(wěn)定滲流工況的計算，臨水側(cè)設定為10年一遇設計水位，背水側(cè)無水情況下，對堤防背水坡出逸比降進行復核。

工況2：非穩(wěn)定滲流工況的計算，臨水側(cè)設定為10年一遇設計水位，經(jīng)歷48h后，下降至無水情況下，對臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，在此條件下，復核堤防臨水坡滲透出逸比降。

擬對治理段每隔1～3km選取1個典型斷面，對“12·8”險情段及砂性堤段選取斷面間距適當加密，對壤土堤身和黏性土堤基的斷面間距適當加大。

5.1.4 防滲透破壞措施

通過堤防典型斷面的滲流穩(wěn)定計算結(jié)果分析可知，不滿足滲透穩(wěn)定的堤段主要為堤身、堤基均為砂性土的堤段。由于堤身較高、水深較大，堤身、堤基均為透水性強的粉細砂，砂性土堤身和大部分砂性土堤基的滲透穩(wěn)定需另外采取工程措施。

根據(jù)“前堵后排”的原則，一般工程措施主要分兩類，一類是通過延長滲徑以減小出口比降，可在迎水坡鋪設復合土工膜；二是增設背水坡貼坡排水以減小出逸點滲透坡降。采取上述措施后，堤防滲流比降由0.38降至0.25，堤防滲透穩(wěn)定均滿足要求。

5.2 邊坡穩(wěn)定性計算

5.2.1 抗滑穩(wěn)定性計算方法

本次采用簡化畢肖普法計算邊坡的抗滑穩(wěn)定性，其計算公式為：

其中 W為土（石）體的重量；u為作用在土體底面的孔隙壓力；v為在垂直方向與水平方向的地震慣性力（規(guī)定：向上為負“-”，向下為正“+”）；b為土體的寬度；a為土體條塊重力線和通過土塊底面中點半徑之間的角度；MC為水平方向上地震慣性力對圓心的力矩；c′，φ′為土條底部有效應力的抗剪強度指標；R為土條的滑坡面圓弧半徑；K為土條圓弧滑動穩(wěn)定性的安全系數(shù)（工況不一致，取值不同）。

5.2.2 計算工況

依據(jù)堤防的工作狀態(tài)和作用力的不同，模擬邊坡穩(wěn)定性分析工況計算為：

正常運行條件I：二灤河樂亭段10年一遇設計水位，堤外無水時，復核堤防背水坡穩(wěn)定。

正常運行條件II：二灤河樂亭段10年一遇設計水位驟降時的臨水側(cè)堤坡邊坡穩(wěn)定性復核。

非常運行條件I：施工期的堤埝里外全無水情況下，背水坡、臨水坡的穩(wěn)定性復核。

5.2.3 斷面的選擇及參數(shù)指標的選取

筑堤土c，φ，γ值，采用的是二灤河筑堤料場土料擊實試驗的實際成果。堤基的巖性及c，φ，γ值，依據(jù)地勘成果資料取值。土條的浸潤線采用的是滲透穩(wěn)定的演算結(jié)果。選取的3個典型斷面樁號及各項參數(shù)如表1。

表1 典型斷面邊坡穩(wěn)定計算選取的參數(shù)

5.2.4 安全系數(shù)確定

依據(jù)GB50286—2013《堤防工程設計規(guī)范》，采用簡化的畢肖普法計算土堤邊坡抗滑穩(wěn)定，5級堤防（土堤）的邊坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)，應大于等于以下數(shù)值：

（1）正常運用工況下：1.20。

（2）非正常運用工況下Ⅰ：1.10。

5.2.5 邊坡系數(shù)設計及計算結(jié)果

按上述的方法和設定條件，對典型斷面進行邊坡穩(wěn)定性計算，按式（2）算得到安全系數(shù)，若不滿足安全要求，則放緩邊坡，重新進行計算，直至邊坡穩(wěn)定滿足約定要求。堤防邊坡穩(wěn)定計算成果如表2。根據(jù)計算成果，二灤河堤身填筑剝巖土，迎、背水邊坡設計坡比為1∶3，各工況均滿足設計要求。

表2 斷面邊坡穩(wěn)定計算成果

6 結(jié)語

此次設計采用的剝巖土對堤埝進行加固，既能利用當?shù)氐V區(qū)剝離的廢棄巖土，又能夠減少土料場征地，不僅節(jié)約了寶貴的土地資源和工程投資，還對保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境起到了重要作用。