堤防岸坡在水位骤降情况下采取不同加固措施的稳定性分析

2014-11-03贾龙

科技创新与应用 2014年32期

贾龙

摘要：水位骤降情况下的堤防稳定性被认为是最危险的情况，但对不同加固措施的稳定性效果研究较少。通过选取淮河淮北大堤某段堤防为研究对象，建立二维有限元渗流模型，在水位骤降情况下，对分别布置截渗墙和水平压盖的堤防迎水坡进行的稳定性计算，再计算组合加固措施下的堤坡稳定性。研究结果表明，当采取单一加固措施时，由安全系数的增率得出1m厚的水平压盖加固效果较好；当采取组合防护时，其加固效果更好，考虑到经济方面，选择采取1m厚的水平盖重的加固措施比较合理，以此也可以给类似工程提供参考。

关键词：水位骤降；加固措施；堤防；非稳定渗流

前言

水位骤降使得堤防内的水来不及排出，堤身处于饱和状态，土体的容重增加，在渗流的作用下，造成堤防迎水坡下滑力增大，抗滑力减小，失去稳定而产生滑坡。已有学者在研究堤防稳定性时指出，水位骤降是堤防迎水坡最不稳定情况，水位下降越快，边坡越不稳定[1～4]。目前水位骤降情况下堤防的稳定性研究已经比较成熟，但在水位骤降情况下，堤防采取不同加固措施的稳定性效果上研究和应用较少，本文以淮北大堤某段堤防为例，在此方面展开研究，来弥补该方面的不足。

1 水位骤降原理和淮北大堤的水位骤降速度

水位骤降一般指水位的降落速度很快，堤防（斜坡体）内的自由面或浸润线滞后于水位降落。Schnitte和Zeller于1975年将饱和渗透系数Ks、给水度？滋和库水位下降速度v的比值作为评价降落快慢的依据。毛昶熙[5]分析均质土坝和心墙沙壳坝得出：当k/？滋v<1/10时为骤降，此时坝体内的渗流自由面在水位降落后仍占总水头的90%左右，可以近似认为自由面没有下降；当k/？滋v>1/10时，坝体内自由面仅占总水头的10%左右，不会影响坝坡的稳定性；当k/？滋v>100时，渗流自由面将与水位同步下降。

为了工程计算方便，将“k/？滋v>1/10”换算成水位下降速度，即V>10k/ 时发生骤降，对于大多数土质堤防来说，一般认为当V>0.5m/d时，即算是水位骤降情况[6]，所以对于淮北大堤的水位骤降速度判断以0.5m/d为准，计算时为保守起见取5m/d。

2 堤防概况和有限元模型

选取的堤防位于淮南市和台风县之间的上、下六坊堤行洪区，河底高程10.60～13.50m，宽约150m。堤防以南的滩地，地面高程一般19.50m左右。研究堤段河道正常水位为18.05m，20a一遇设计洪水位为23.06m。堤身主要是由粉质粘土组成，河床为粉质粘土和轻粉质壤土，基岩为泥粉质砂岩。堤防附近土层从上到下为粉质粘土、轻粉质壤土、粉细砂、轻粉质壤土、粉细砂、粉质粘土。选取大堤某段典型断面，典型断面土层见图1。

图1 堤防典型断面

（1）建模范围。以堤坝为中心，水平方向上向堤防两侧取两倍的堤高，垂直方向上由截渗墙底端向下取两倍的堤高。模型左右长度约为52m，高度约为22m。坐标原点位于左边界高程0.0m处，X轴垂直于堤防向右为正，Z轴向上为正，稳定计算模型见图2。

（2）加固措施选择。由于水位骤降致使堤坡失稳的原因既有水流渗透因素又有土体下滑因素，故根据已有的堤防加固措施资料[7]，选择截渗墙、水平压盖两种加固措施。设计截渗墙厚度为20cm和40cm，堤顶布置和堤肩布置，设计深度为深入轻粉质壤土1m，渗透系数为1×10-6cm/s；设计水平压盖厚度为0.5m和1m，宽度为均为6m，沿内河侧布置，渗透系数为3×10-6cm/s。

（3）模型边界条件。根据文献[8]，堤内侧为高度随时间变化的变水头边界，地下水位取14m，堤防迎水面以上和背水面定义为逸出边界，堤身后导渗沟定义为逸出边界；不考虑降雨作用，其他边界为不透水边界。

（4）原堤岸边坡稳定性。由非饱和土渗流原理和极限平衡法，利用SEEP/W软件，以5m/d下降速度为例，在不同水位下，对原始堤防边坡进行稳定性分析，计算结果见表1。由表2可以看出，当水位降至21.98左右时，堤岸安全系数降到1.3及其以下，直至小于1，说明此时堤岸不稳定，需要采取加固措施保证堤防的安全性。

表1 水位骤降时各水位高程堤岸坡体稳定性

3 采取单一加固措施的堤岸边坡稳定性

3.1 采取截渗墙加固的堤岸边坡稳定性

采取不同厚度和位置的截渗墙对堤防进行加固，通过减小堤身内的渗流量来维护堤坡的稳定性，对堤岸稳定性计算，计算结果见表2。由表2可以看出，布置截渗墙后，堤防坡体的安全系数均增大，但幅度并不明显，只有在堤顶布置的40cm厚截渗墙下，堤防的安全系数最终满足于规范要求，可见截渗墙的加固效果并不是很有效。

表2 不同水位下布置截渗墙的堤坡安全系数

3.2 采取水平压盖的堤岸边坡稳定性

在堤防迎水坡堤脚处分别布置0.5m、1m厚的水平压盖，宽度为6m，通过水平压盖可以给堤脚处增加抗滑力来提高堤坡的安全系数，稳定计算结果如表3所示。从表3可以看出，布置水平压盖后，堤坡的安全系数相对增加较大，所有数值均大于1.3，堤坡处于稳定状态。

表3 不同水位下布置水平压盖的堤坡安全系数

4 采取联合加固措施的堤岸边坡稳定性

对堤防采取截渗墙和水平压盖联合加固，原理是“内部防渗、下部增重”。同样选取加固效果最好的单一措施，选择40cm厚度布置在堤顶的截渗墙和1m厚的水平压盖联合加固，对堤坡进行稳定计算，计算结果如表4所示。从表4可以看出，堤坡的安全系数均有提高，其加固效果要好于截渗墙和护坡联合加固。

表4 截渗墙和水平压盖联合加固的堤坡安全系数

5 不同加固措施的应用效果

为了能够更直接地反映出加固措施的加固效果，在这里计算出不同水位安全系数大于1.3的堤坡安全系数增率，单一加固措施的计算结果见表5，联合加固措施的见表6。从表5可以看出，增率最大的是1m厚的水平压盖，为59.3%，最小的是40cm厚的护坡，为37.4%。从表6可以看出，联合加固的效果明显增大，最大的是截渗墙和护坡联合使用的组合，为83.9%，最小的是护坡和水平盖重联合使用的组合，为76.3%。

表5 单一加固措施的堤坡安全系数增率

表6 联合加固措施的堤坡安全系数增率

6 结束语

（1）采取单一加固措施时，1m厚的水平盖重加固效果较好，平均安全系数增率59.3%，截渗墙效果其次，平均安全系数增率为42.8%，所以若采取单一措施首先考虑水平盖重，但考虑到截渗墙的施工速度较快，故在紧急情况下也可以作为首选。

（2）采取联合加固措施时，截渗墙和水平压盖的联合加固效果明显比单一加固措施的要好，安全系数增率为83.9%，但从经济上来考虑，联合加固措施造价较高，所以在选择上需要考虑工程费用。

（3）从加固效果来看，采取增加抗滑力的效果比减少堤身渗水的效果好，但减少堤身渗水可以减小堤身背水侧和堤基有可能产生的险情，在这一方面还有待进一步研究。

参考文献

[1]刘培青，张进，李士军.库水位骤降对库岸滑坡稳定性的影响[J].人民黄河，2007，29（7）：71-72.

[2]时铁城，阮建飞，张晓.库水位骤降情况下土石坝坝坡稳定分析[J].人民黄河，2014，36（2）：93-95.

[3]王冬林，李宗利，张洪泉.库水位骤降对均质土坝坝坡稳定性的影响分析[J].人民黄河，2011，33（4）：1495-1499.

[4]赵宇坤，刘汉东，李庆安.洪水浸泡和水位骤降情况下黄河下游堤防堤岸稳定性分析[J].岩土力学，2011，32（5）：147-149.

[5]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：中国水利水电出版社，2003.