防洪堤整体稳定性计算

刘海军

（娄底市水利水电勘测设计院　　娄底市　417000）

防洪堤整体稳定性计算

刘海军

（娄底市水利水电勘测设计院娄底市417000）

由于长期经受水的渗透作用，堤防容易发生坍塌和滑动现象。文章针对涟源市水洞底镇防洪堤的稳定性问题，按不挡水和挡水两种情况分析，并考虑多种荷载组合，对防洪堤进行稳定性计算。

防洪堤荷载稳定性计算

1 工程概况

涟源市水洞底镇防洪堤位于孙水河上，治理天堂村～羊角村的11.038km河段，该段河道为山区河道，涨落较快，两岸防洪工程采用护岸进行处理，水洞底镇政府所在地河段高程满足要求，亦采用护岸进行处理，护岸布置在岸坡松散、垮塌处或河岸汇入口比较紊乱的地段或当冲的凹岸，岸顶高程到原有堤高程。护岸式挡土墙尺寸：顶宽0.6m，临水侧坡比为1∶0.75，背水侧面1∶0.5，墙趾台阶宽1.0m、墙趾台阶高1.0m，基础埋深1.0m。

2 水文地质

2.1水文

孙水河流域属于典型的中亚热带季风湿润气候区，气候温和，降水丰沛、径流丰富。本流域内多年平均降雨量1328.8mm，年平均蒸发量1423.9mm。降水主要集中在4～7月份，降水量占年总量的57%，其中以5、6月份最多，降水量占年总量的近1/3。工程所在地区的气候特征资料参考临近的涟源市气象站，据涟源市气象站资料统计，多年平均风速1.7m/s，最大风速20.0m/s，多年平均最大风速为13.0m/s。多年平均气温17.0℃，年极端最高气温40.1℃，最低气温-12.1℃，高温一般发生在7～8月，低温一般出现在1～2月。

孙水干流下游建有石安水文站，石安水文站站址设在孙水河富公亭至落花洲之间，控制孙水流域面积802km2，站址稳定，有1961～2001年孙水河实测水位～流量资料。石安水文站实测最大洪峰流量1240.0m3/s（1998年7月），实测最小流量为0.22 m3/s（1987年11月），频率为97.06%，孙水多年平均流量为18.1m3/s。

2.2地质

各层岩土特征为：

含碎石粘土：灰色、灰黄色，硬塑～坚硬，干燥，夹有约30%左右的碎、块石，块径（5～15）cm。有光泽；干强度高；韧性中等；一般厚度为（2.5～7.0）m，主要分布于河床两侧Ⅰ级阶地；容许承载力（160～180）kPa。

砾质粉质粘土：棕黄色，硬塑～坚硬状态，干燥，稍有光泽，干强度、韧性中等，局部含有少量角砾，含量约15%左右。主要分布于河流两岸局部段山坡坡麓，表层植物根系发育，一般厚度为（0～5.0）m，分布不均匀；容许承载力（140～160）kPa。

砂卵石：灰色、灰白色夹少量深灰色，主要矿物组成为石英和云母，卵石以圆形及亚圆形为主，分选性较好，磨圆度好，中密～密实，局部夹有细砂。现场孔内动力触探试验平均击数为33.8击；厚度为（2.0～5.0）m，分布均匀；容许承载力（300～350）kPa。

强风化页岩、灰岩：主要由灰色、灰白色厚层状～巨厚层状致密白云质灰岩、浅灰色厚层块状灰岩、中厚层状白云质灰岩夹白云岩、黑色钙质页岩、炭质页岩、灰岩为主，容许承载力（900～1100）kPa。

强风化砂岩夹页岩：主要以粉砂岩、砂质页岩为主，局部为灰～灰白色石英砂岩、粉砂岩夹砂质页岩和黑色页岩，夹无烟煤层。岩石节理裂隙较发育，岩体风化破碎严重，完整性较差，局部风化深度较大，部分风化岩体呈散体状，容许承载力（800～900）kPa。

3 基础处理

岸基处理应根据护岸工程级别、岸高、岸基条件，选择经济合理的方案。岸基处理应满足渗流控制、稳定和变形的以下要求：

（1）防止塌岸，控制岸坡后退。

（2）竣工后岸基和岸身的总沉降量和不均匀沉降量应不影响护岸的安全运用；根据地质提供的资料分析，岸基主要为粉质粘土、含少量砾的粘土、砂卵石组成或基岩上，岸基表层的淤泥质土类含水量较高，具有高压缩性，为避免岸身因不均匀沉降产生裂缝，要求将淤泥质土、垃圾、杂土全部清挖，为避免护岸砂砾石基础被淘刷，护岸基础应埋置一定深度。

防洪工程设计采用护岸均较平顺，基础冲刷深度按照下式进行计算：

式中hb——局部冲刷深度（m），从水面计算；

hp——冲刷处水深（m），以近似水位最大深度

替代；

n——与防护岸坡在平面上的形状有关，一般

取n=0.25；

Vcp——平均流速（m/s）；

V允——河床面上允许不冲流速（m/s）；

根据地质资料可知，砂卵石的抗冲刷流速（0.8～ 1.2）m/s，含碎石粘土（0.6～0.7）m/s，本工程两岸土堤大部分为含碎石粉质粘土，因此本工程仅对含碎石粘土基础进行计算，选取5+505-5+857段的护岸冲刷深度进行计算：冲刷处水深为6.3m，平均流速为1.7m/s，计算得出局部冲刷深度为（6.68～6.86）m，需要基础埋置深度为（0.38～0.56）m，考虑到地质资料取值为经验取值，埋置深度为（0.5～1.0）m之间取值，当岸高∠2m时，埋置深度取0.5m，当2m≤岸高≤3 m时，埋置深度取0.8m，当岸高＞3m时，埋置深度取1.0m。

4 防洪堤稳定性计算

护岸选取典型断面进行抗倾、抗滑和地基承载力计算，选取5+791m的左岸护岸作为复核计算的典型断面，典型断面如附图所示。

附图　典型断面图

4.1稳定性计算要求

根据《堤防工程设计规范》规定，5级堤防工程防洪墙抗滑、抗倾稳定安全系数见表1。

表1　防洪墙抗滑、抗倾稳定安全系数表

4.2计算方法

（1）抗滑稳定安全系数按下式计算：

式中K——抗滑稳定安全系数；

∑W——作用于墙体上的全部垂直力的总和

（kN）；

∑P——作用于墙体上的全部水平力的总和

（kN）；

f——底板与基底之间的摩擦系数；取0.5。

（2）抗倾稳定安全系数按下式计算：

式中Ko——抗倾稳定安全系数；

MV——抗倾覆力矩（kN·m）；

MH——倾覆力矩（kN·m）。

（3）挡土墙基底压应力按下式计算：

式中σmax、min——基底的最大和最小压应力（kPa）；

∑G——垂直荷载（kN）；

A——底板面积（m2）；

∑M——荷载对底板形心轴的力矩（kN·m）；

∑W——底板的截面系数（m3）。

4.3计算工况、基本荷载及参数

正常情况：

工况一：护岸不挡水（或施工期）情况；

工况二：护岸为设计水位情况。

基本荷载：自重、设计洪水位时的静水压力、扬压力、风浪压力、土压力。

填筑料：土石碴混合料。

墙体：材料为M7.5水泥砂浆砌块石，容重为24.0kN/m3。

摩擦系数：抗滑摩擦系数f为0.53～0.58。

4.4计算成果及分析

经对典型断面进行计算，成果如表2。

表2　护岸稳定分析及基底应力计算表

由表2可知，护岸典型断面抗滑稳定最小安全系数k=1.277～1.623＞1.05，抗倾稳定最小安全系数k=2.155～3.254＞1.40，基底最大压应力P=（199.252～239.749）kPa，堤基地层基本为砂卵石层，允许承载力大于300kPa，基底应力能满足地基土允许承载力要求。

5 结　论

（1）防洪堤典型断面在两种工况下的抗滑稳定和抗倾稳定性计算安全系数均满足设计规范的允许值，因此满足设计要求。

（2）典型断面在两种工况下的基底最大压应力在地基承载能力范围以内，因此满足堤基应力要求。

刘海军（1982-），男，大学本科，工程师，主要从事水利设计和监理工作。

（2016-06-30）