护岸工程岸坡稳定计算工况研究

尚钦 潘文浩 周冬妮

摘要：在护岸工程设计中，岸坡稳定计算工况的确定缺少明确规范依据，参照其他相关规范拟定的计算工况不符合工程实际，导致计算结果不够准确。为了全面分析实际工程中岸坡稳定遭遇的工况，科学指导护岸工程设计，针对河道岸坡复杂的水土边界条件，通过对水位、降雨、渗流、荷载等相关影响因素的综合分析，提出了相对合理、简便、明确的护岸工程岸坡计算工况拟定方法。结合长江中下游河道岸坡具体情况，给出了部分重点河段的推荐计算工况和控制参数。研究结果对护岸工程岸坡稳定计算具有参考价值。

关键词：护岸工程; 岸坡稳定; 水位骤降; 冲刷坑; 高地下水; 长江中下游

中图法分类号：TV861 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.011

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0058 - 05

0 引 言

护岸工程岸坡稳定问题主要研究的是滩唇直至岸坡坡脚，当堤外无滩时，与堤防一体作为整体考虑[1]。现行规范GB 50707-2011《河道整治设计规范》和GB 50286-2013《堤防工程设计规范》中的坡式护岸岸坡稳定均是参照了堤防工程，但对计算工况及相应安全系数未单独做明确说明。张宁[2]、张晨等[3]对水位骤降工况下渗流因素对岸坡稳定的影响进行了分析，承宇等[4]也对降雨因素展开了研究，但均未提出具体的工况拟定方法。目前，工程设计人员对于岸坡处理主要还是根据经验，并参照堤防工程，导致具体计算处理的主观性较大，标准并不统一。

本文针对河道岸坡水土边界条件复杂的情况，通过剖析规范中的设计工况，排除了针对性不强的计算工况，增补了针对护岸工程的特殊工况，明确提出了一般性控制工况及拟定方法。同时，结合长江中下游河道岸坡的具体情况，提出了合理、简便的计算工况和相关参数处理建议。

1 计算工况分析

1.1 参照堤防工程的计算工况

参照GB 50286-2013《堤防工程设计规范》，计算工况分为正常运用条件和非常运用条件两类[5]（表1）。

上述参照工况对护岸工程并不适用。这是因为：① 护岸工程主要分布在滩唇前沿，不存在背水侧稳定问题;② 滩面高程一般低于设计洪水位，小幅的设计洪水位骤降基本不改变岸坡受力条件;③ 岸坡坡脚可能发生冲刷，改变了计算的边界条件，而上述工况未考虑这种情况。

1.2 护岸工程计算工况

针对护岸工程特点，应拟定更贴合工程实际的计算工况（表2），具体如下。

（1） 正常运用工况。对于水位骤降期的临水侧岸坡，应从滩唇至设计枯水位之间选择一个水位和相应一定时段的骤降高度，以两者之间最危险遭遇作为计算条件。设计枯水位稳定渗流期的临水侧堤坡稳定作为其中的一个特殊组合。

（2） 非常运用工况。① 施工期的临水侧岸坡。对于无填方或对岸坡土体扰动较小的挖方护岸，该工况基本等同于设计枯水位稳定渗流期的临水侧岸坡工况。② 多年平均水位时遭遇地震的临水侧堤坡。③ 考慮坡脚冲刷后地形变化的水位骤降期临水侧堤坡。由于冲刷后地形是按照可能最大冲刷坑深度预测的，鉴于发生最大冲刷深度的风险概率不好评估，且目前预测手段准确性不高，将该工况作为非常运用工况较为合适。④ 多雨地区，考虑枯水期长期降雨的临水侧堤坡。该工况是从滩唇至设计枯水位之间选择一个水位和相应时段由于长期降雨而产生的高地下水位，以两者之间最危险遭遇作为计算条件。该工况与水位骤降工况计算条件类似，只是产生原因和遭遇情况不同。

综上所述，计算工况中最为复杂的是：① 正常运行条件下，水位骤降期临水侧岸坡;② 非常运用条件下，考虑坡脚冲刷后地形变化的水位骤降期临水侧岸坡;③ 非常运用条件下，多雨地区考虑枯水期长期降雨的临水侧岸坡。本文将对上述工况进行具体分析。

2 水位骤降期临水侧岸坡工况

2.1 确定方法

由于各河段水文气象情况、滩地地形地质条件不同，对于水位和骤降高度、水位和高地下水的最危险遭遇，还需进一步分析研究。长江中下游河道岸坡地质结构一般可分为单层结构、双层结构及多层结构，其中，又以双层的二元结构为主。地质结构对渗流影响较大，但在研究水位骤降期（一般不超过30 d）不稳定渗流时，骤降幅度一般都不大，且处于土层分层的情况不多，一般多为单一土层。因此，本研究假定骤降幅度内为单一土层。

选取宜昌、枝城、监利、鄂州、武穴、九江、南京等地典型岸坡进行分析研究。对于水位骤降工况，研究基本技术路线见图1。

根据岸坡非稳定渗流计算成果，骤降工况下岸坡土体的非稳定渗流主要受渗透系数的影响。土体渗透系数大于1×10-3  cm/s时，岸坡土体内浸润线基本可跟长江水位同步骤降，因此可以不考虑水位骤降;随着土体渗透系数的减小，浸润线降低滞后于长江水位降落的时间逐渐增大，详见表3。而且，在时段末期浸润线下降速率明显减缓。同时，地下水位对岸坡抗滑稳定影响的敏感性分析表明，在时段末期，地下水位对岸坡抗滑稳定安全系数的影响也较小[6]。

2.2 确定结果

三峡工程建成后十余年来，通过分析长江中下游沿线水文（位）站历史逐日水位资料，确定了水位骤降期临水侧岸坡计算工况如下。

（1） 宜枝河段。在平滩水位至设计枯水位之间3，7，15 d的最大骤降分别可达3.1，3.9 m和4.7 m。越接近设计枯水位的最大骤降高度越小，一般15 d内不超过2.0 m。同时，该河段岸坡土体一般为二元结构，上层为粉土或粉细砂、粉质壤土互层（渗透系数为i×10-4～i×10-5  cm/s，i为1～9），下层为砂、卵、砾石。根据典型断面各水位和骤降高度组合工况下抗滑稳定计算结果，并综合各方面因素影响，大体上确定从设计枯水位+6.0 m骤降4.0 m为最危险工况;对局部黏性土岸坡，从设计枯水位+7.0 m骤降5.0 m为最危险工况。

（2） 下荆江河段。在平滩水位至设计枯水位之间，3，7，15 d的最大骤降分别可达1.6，3.2 m和3.8 m。越接近设计枯水位的最大骤降高度越小，一般15 d内不超过2.0 m。同时，该河段岸坡土体一般为二元结构，上层为粉土或粉质黏土（渗透系数i×10-5～i×10-6  cm/s，i为1～9），下层为粉细砂或砂砾石。根据典型断面各水位和骤降高度组合工况下抗滑稳定计算结果，并综合各方面因素影响，大体上确定对粉土从设计枯水位+5.0 m骤降3.0 m为最危险工况;对黏性土，从设计枯水位+6.0 m骤降4.0 m为最危险工况。

（3） 鄂黄河段。在平滩水位至设计枯水位之间，3，7，15 d的最大骤降分别可达1.0，2.7 m和3.6 m。越接近设计枯水位的最大骤降高度越小，一般15 d内不超过1.5 m。同时，该河段岸坡土体一般为二元结构，上层为粉土或粉质黏土（渗透系数i×10-5～i×10-6  cm/s，i為1～9），下层为粉细砂或粉质黏土。根据典型断面各水位和骤降高度组合工况下抗滑稳定计算结果，并综合各方面因素影响，大体上确定对粉土从设计枯水位+4.0 m骤降3.0 m为最危险工况;对黏性土，从设计枯水位+4.5 m骤降3.5 m为最危险工况。

（4） 龙坪河段。在平滩水位至设计枯水位之间，3，7，15 d的最大骤降分别可达1.0，2.0 m和3.5 m。越接近设计枯水位的最大骤降高度越小，一般15 d内不超过1.2 m。同时， 该河段岸坡土体一般为二元结构，上层为粉土或粉质黏土（渗透系数i×10-5～i×10-6  cm/s，i为1～9），下层为粉细砂或粉质黏土。根据典型断面各水位和骤降高度组合工况下抗滑稳定计算结果，并综合各方面因素影响，大体上确定对粉土从设计枯水位+3.5 m骤降2.0 m为最危险工况;对黏性土， 从设计枯水位+4.5 m骤降3.5 m为最危险工况。

长江中下游重要河段典型断面水位骤降和计算工况的确定分别见表4，5。

总体上看，对于长江中下游沿岸，自上游向下游最危险水位骤降工况的水位降幅逐渐减小，对应的降后水位越来越接近设计枯水位。但对于大通以下的感潮河段，由于受潮流作用影响，骤降工况应取设计枯水期与相应最大潮差的组合作为最危险工况。

3 考虑坡脚冲刷地形变化的冲深计算

关于最大冲刷坑深度的计算，笔者曾做过专门的分析[7]。本文从工程设计角度提出相对准确并有一定安全裕度的工程设计处理方法，主要分为以下3种情况。

（1） 对于河势基本稳定的河段，河道断面是长期冲淤变化的结果，一般已基本稳定，深泓处很难再形成较大冲刷坑[8-9]。此类河段护岸工程仅是维护性的加固工程，以应对年内、年际冲淤变化而造成的护岸材料流失。在工程设计上，为了保证安全性，可设置一定方量的防冲备填石。对于长江中下游，填石可取5～10 m3，并根据断面位置的历史最大冲深确定方量，接近历史最大冲深取小值，反之取大值，而不必计算冲刷坑深度。

（2） 对于总体河势发生重大调整，深泓摆动甚至易岸的情况，可参照包尔达可夫局部冲刷公式计算最大冲刷坑深度，并综合考虑河道演变成果，两者取大值。

（3） 对于总体河势虽未发生重大调整，但一岸或两岸发生持续冲刷的情况，工程设计中可参照包尔达可夫局部冲刷公式计算最大冲刷坑深度，并综合考虑河道演变成果，两者取小值。

研究河段演变的数学模型和物理模型成果可作为参考[10-11]，使上述处理方法更加完善和准确。

4 考虑枯水期长期降雨的临水侧岸坡工况

对于枯水期长期降雨工况，主要是根据长江水位与同期降雨量的对比分析来确定最危险遭遇情况。

4.1 降雨特征

长江流域属北亚热带季风区，气候温和、湿润多雨、雨热同季、四季分明、冬冷夏热。长江流域主要气候特征包括：冬季寒潮大风、春季低温阴雨、初夏梅雨、盛夏高温、秋季秋高气爽等。

长江流域降水量年内分配不均，主要集中在3～10月，暴雨出现时间一般中下游早于上游，江南早于江北。暴雨分布的一般规律为：5月雨带主要分布在湘、赣水系;6月中旬至7月中旬雨带徘徊于长江干流两岸，中下游为梅雨季节，上游雨带呈东西向分布，江南雨量大于江北;7月中旬至8月上旬，雨带移至四川和汉江流域，上游除乌江降水略有减少外，其他地区都有所增加，主要雨区在四川西部呈东北、西南向带状分布;8月中下旬，雨带北移至黄河、淮河流域;9月雨带又南旋回至长江中上游，长江上游降水中心从四川西部移到东部，川西雨量大为减少。

长江中下游南岸2～3月就开始有暴雨出现，而汉江、嘉陵江、岷江、沱江、乌江则4月才开始出现暴雨;雅砻江和大渡河部分地区只有在7，8月才有暴雨发生。暴雨结束时间与开始时间相反，自流域西北向东南推迟。长江上游和中游北岸大多于9～10月结束，长江中下游南岸多于11月结束。

4.2 水位特征

长江中下游多年逐月平均水位以12月至次年2月为最枯，5～10月为汛期，水位持续较高，3～4月为涨水期，11月快速回落。因此，3月和4月将出现枯水期水位与长期降雨造成的高地下水的最危险遭遇工况。

根据三峡工程建成后十余年的沿线水文（位）站3月和4月资料，多年平均水位大体高于设计枯水位2～3 m。根据沿岸的一些已建工程的历史地勘资料，岸滩附近地下水位一般高于同期长江水位0～2 m，最高可高于3～4 m。因此，枯水期长期降雨工况虽然与水位骤降工况发生原因不同，但计算条件组合上有较大重合性。

5 结论和建议

水位骤降工况是岸坡抗滑稳定的控制性工况。如果岸坡坡脚冲刷严重，非常运用条件下，坡脚冲刷后地形变化的水位骤降期的临水侧岸坡稳定是最危险工况。工况的确定与水文气象情况、滩地地形地质条件密切相关，组合条件非常复杂，本文选取了一些有代表性的典型断面进行初步分析计算。对于具体工程设计，还应根据实际情况进行详细分析计算，不能简单套用本文结果。

此外，工程设计中，应充分重视岸坡反滤排水的布置。对于黏性土的填方岸坡，应设置褥垫排水，最好选择排水性较好的砂性土作为回填土料;对于黏性土的挖方岸坡，应确保贴坡排水功能，间隔布设排水沟、导滤沟等，应选择透水材质护坡型式;对于砂性土岸坡，还应注重反滤保土，尤其是脚槽部位。

参考文献：

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[2] 张宁. 库水位变动对岸坡稳定性影响研究[J]. 水利技术监督，2021（11）：167-169.

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[4] 承宇，邵琪，刘大鹏，等.降雨条件下非饱和粉质航道岸坡稳定性数值分析[J]. 水运工程，2019（6）：99-104.

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Study on calculation conditions of bank slope stability of revetment project

SHANG Qin， PAN Wenhao， ZHOU Dongni

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan  430010， China）

Abstract： In the design of revetment engineering， there is no clear specification basis for the determination of bank slope stability calculation conditions. The calculation conditions formulated with reference to other relevant specifications do not accord with the engineering practice， resulting in inaccurate calculation results. In order to comprehensively analyze the working conditions encountered by the bank slope stability in the actual project and scientifically guide the design of bank protection project， aiming at the complex water and soil boundary conditions of river bank slope， through the comprehensive analysis of relevant influential factors such as water level， rainfall， seepage， load and so on， a relatively reasonable， simple and clear formulation method of bank slope calculation working conditions of bank protection project was proposed. Combined with the specific situation of the bank slope of the middle and lower reaches of the Yangtze River， the recommended calculation conditions and control parameters of some key river sections were given. The research results have reference value for bank slope stability calculation of revetment engineering.

Key words： revetment engineering; bank slope stability; sudden drop of water level; scour pit; high ground water; middle and lower reaches of Yangtze River