水位变化对赤田港堤防稳定性分析探讨

袁德辉

（江西省赣西土木工程勘测设计院，江西宜春，336000）

0 引言

目前，堤坡失稳是土石堤防工程的常见问题，堤前水位快速涨落是一个重要诱因[1]。堤前水位快速变动造成堤防临水坡稳定性降低，滑坡现象时有发生[2]。同时，由于部分堤防历史悠久[3]，运行周期长，堤防施工填筑质量差[4]；多年运行过程中，局部堤段经过不同程度的修整，导致不同堤段的断面结构布置存在较大差异和许多安全隐患，需要及时采取加固措施[5]。诸多学者对堤防的稳定安全进行了计算分析，何彬[6]采用有限元分析方法，对堤防加固前后的堤坡稳定安全进行分析，验证现有加固措施的有效性。水位在短时间内变化速率过快，对边坡稳定性会产生不利影响，分析不同水位变化速率对堤防边坡稳定的影响具有指导意义[7]。崔频捷等[8]以土石心墙坝为例，通过分析库水位变化速率对土石类边坡稳定安全的影响，确定了水库水位的最不利下降速率。除此之外，在高水位、急水流条件下，水流的淘刷作用会导致堤防堤脚处产生冲刷坑，对堤坡稳定安全产生不利影响[9]。

赤田港堤限于当时技术条件，现已运行多年，存在迎水侧堤坡比不一致，堤脚处有冲刷坑等安全隐患。以往研究仅对局部单一堤防进行计算分析，本文结合赤田港堤防特点，采用有限元计算方法，分析不同堤坡比和不同冲刷坑影响下的堤防安全。考虑水位变化速率影响，定量分析不同影响因素下的堤防稳定安全的变化规律，及时对存在风险堤段进行除险加固处理，具有重要意义。

1 工程概况

赤田港堤位于江西省奉新县赤田镇，工程建筑物等级为5 级。堤防两侧多为农田，限于当时施工技术条件，堤防迎水侧坡比不一致，堤坡比约为1：1.5～1：2.0。堤基主要含水层为第四系冲洪积层的壤土、中细砂和细砂岩。堤基位于壤土层上，地层均匀，堤防迎水侧由于壤土及中细砂较多，抗冲能力较差，在水流长期淘刷影响下，堤防迎水侧堤脚处存在不同深度的冲刷坑，对堤防迎水侧的稳定安全造成不利影响。

2 计算模型及方法

2.1 计算简化模型

赤田港两侧为农田耕种区域，迎水侧稳定安全也关系着堤防周边区域的安全。赤田港堤高为3.6m，堤顶宽度为4.0m，枯水位为1.8m，设计洪水位为3.0m。为分析堤防迎水侧堤坡比对堤防稳定安全的影响，本次计算迎水侧考虑3 种不同堤坡比1：1.5、1：1.75 和1：2.0，背水堤坡比为1：2.5。堤防迎水侧受水流淘刷影响，存在不同深度的冲刷坑。本次模拟堤脚出现0.25m、0.50m和0.75m 三种不同的冲刷深度，计算不同冲刷深度下堤坡稳定安全系数，对存在危险的堤段及时进行除险加固处理。建立赤田港堤防二维有限元计算模型，如图1所示。

图1 赤田港堤防有限元模型

2.2 计算参数及工况

根据地质资料且结合相关工程经验，本文假定堤防及堤基为各项同性多孔介质[10]，计算材料参数见表1，堤防土体和堤基材料均按非饱和渗流特性考虑，饱和—非饱和渗流基本方程表达式为：

表1 堤防材料渗透系数及物理特性

式中：kx和ky分别为非饱和土在x 和y 方向上的渗透系数；Q 为边界上水的流量；θ 为土体含水率；t 为时间。对堤防进行非饱和渗流分析，将土体视为土颗粒骨架和孔隙构成的多孔介质，需要选用适合的土水特征曲线模型及渗透系数模型，本次选用Van Genuchten模型描述。土体体积含水量与基质吸力间的函数关系见式（2），相应的渗透系数表达式见式（3）。堤身土体非饱和渗流特性函数见图2。

图2 堤身土体渗流特性函数

式中：θ 为土体含水率；θs、θr分别为饱和含水率和残余含水率；kr为相对渗透率；τ 为迂曲度因子；α、m、n为模型参数。

3 堤防安全影响因素分析

3.1 堤防迎水侧堤坡比影响

为了分析堤防迎水侧堤坡比对堤防稳定安全的影响，拟定1：1.5、1：1.75 和1：2.0 三个堤坡比的计算断面，总结归纳迎水侧堤坡比变化对堤坡稳定安全系数的变化规律。根据堤坡稳定有限元计算结果，发现迎水侧堤坡稳定安全系数在水位上升过程中变化规律基本一致，但堤坡迎水侧稳定安全系数极值存在差异。

由图3 可知，随着水位上升，水体向堤防内部渗透扩散速率加快，土体逐渐饱和导致抗剪强度降低。由于堤前水位上升速率快于堤内水位变化速率，水位上升初期迎水侧受到水压力作用明显，水荷载提高了堤坡的阻滑力，堤防迎水侧堤坡稳定安全系数逐渐增加。堤前水位由枯水位上升至设计洪水位后，堤防内部饱和区域继续增大，土体抗剪强度降低，使得堤防迎水面稳定安全系数逐渐下降，最终趋于稳定。

图3 水位上升阶段迎水面堤坡安全系数变化图

在不同水位上升速率影响下，不同堤坡比的边坡稳定安全系数变化规律基本一致。同一堤坡比下，水位上升速率仅影响堤防迎水面边坡稳定安全系数的极值，水位上升速率越快，堤坡边坡稳定安全系数越早到达安全系数极值。水位上升速率为0.30m/h 时，堤坡比为1：1.5 的堤防稳定安全系数最大值为1.95。水位上升速率分别为0.25m/h、0.20m/h 和0.15m/h，堤坡稳定安全系数极值分别为1.94、1.93 和1.91，不同水位上升速率下的堤坡稳定安全系数基本一致，为1.75。

同一水位上升速率下，堤坡越陡，堤防迎水侧堤坡稳定安全系数越小，堤坡比为1：1.5 时堤坡稳定安全系数为1.75，堤坡比为1：1.75 和1：2.0 时，堤坡稳定安全系数分别为1.98 和2.15，相比于坡比为1：1.5 的堤段分别提高了13.14%和22.85%。

根据堤坡稳定有限元计算结果，分析迎水侧堤坡稳定安全系数在下降过程中的变化规律。

由图4 可知，堤前水位的快速下降对于堤防迎水侧是一个水压力卸载的过程，堤防迎水面抗滑力减小，堤坡稳定安全系数减小。堤前水位下降至枯水位后，由于堤内水位下降速率慢于河道水位下降速率，堤内孔隙水压力未完全消散，堤防内会产生由内向外的渗透力，导致迎水面安全系数持续减小，但减小速率逐渐变缓。随着堤防内部的孔隙水压力逐渐消散，堤防土体内部饱和区域逐渐减少，使得堤防迎水面边坡稳定安全系数继续增大，最后堤防迎水面安全系数趋于稳定。

图4 水位下降阶段迎水面堤坡安全系数变化图

在水位下降过程中，不同堤坡比的堤坡稳定安全系数变化规律大体相同，呈现出先减小、后增大，最后趋于稳定的变化规律。堤坡稳定安全系数极值在不同堤坡比和水位下降速率存在差异。堤前水位以0.30m/h速率下降过程中，堤坡比为1：2.0 的堤防稳定安全系数最小值为1.47，若堤坡比变成1：1.75 和1：1.5，堤坡稳定安全系数极值分别减小至1.42 和1.33，相比坡比为1：2.0 时，分别减小了3.41%和9.52%。

同一堤坡比在水位下降速率不同时，迎水面堤坡稳定安全系数变化规律基本一致。水位下降过程中，堤防迎水侧处受堤内指向外的渗透力影响明显。水位下降速率越快，迎水面安全系数下降速率越快，安全系数越小。水位以0.30m/h 速率下降过程中，堤坡比为1：1.5的堤防稳定安全系数最小值为1.33，若水位变化速率变成0.25m/h、0.20m/h 和0.15m/h，堤坡稳定安全系数最小值有所提高，分别为1.35、1.36 和1.37，相比水位变化速率为1.50m/h 时，分别提高了1.51%、2.25%和3.02%。

3.2 堤防迎水侧冲刷深度影响

在高水位、急水流条件下，水流对堤防堤脚处的淘刷作用较强。为分析不同深度的冲刷坑对赤田港土堤迎水侧堤坡稳定安全影响，拟定0.25m、0.50m 和0.75m三种冲刷深度，分析水位变化影响下的迎水侧堤坡稳定安全系数的变化规律。图5 为水位上升速率为0.30m/h 过程中，迎水侧不同堤坡比存在不同冲刷深度下的迎水面安全系数变化图。

图5 水位上升阶段不同冲刷深度堤坡安全系数变化图

由图5 可知，冲刷深度对堤坡稳定安全系数影响较大，堤防堤脚处冲刷深度越大，堤坡稳定安全系数整体越小。以堤坡比为1：1.5 的堤段为例，堤防未出现冲刷坑时，堤防稳定安全系数为1.31，当冲刷深度分别为0.25m、0.50m 和0.75m 时，堤坡稳定安全系数分别减小至1.24、1.19 和1.09。随着冲刷深度的增大，堤防稳定安全系数相应地减小5.34%、9.16%和16.80%。

图6 为水位下降速率为0.30m/h 过程中，不同堤坡比在不同冲刷深度下迎水面安全系数变化图。

图6 水位下降阶段不同冲刷深度堤坡安全系数变化图

由图6 可知，在水位下降过程中，冲刷深度对堤坡稳定安全系数影响较大。根据规范要求，堤坡稳定安全系数在水位下降过程中应保证大于1.05。以堤坡比为1：1.5 的堤段为例，堤防未出现冲刷坑时，堤防稳定安全系数最小值为1.34，当冲刷深度分别为0.25m、0.50m和0.75m 时，堤坡稳定安全系数分别减小至1.25、1.11和1.03。随着冲刷深度的增大，堤防稳定安全系数相应地减小6.71%、17.16%和23.13%。

4 结论

（1）通过堤防迎水侧稳定安全系数变化规律可知，堤坡比为1：1.5 较1：2.0 的堤段边坡稳定安全系数小36.64%，堤脚出现0.8m 的冲刷坑较堤脚处未出现冲刷堤坡稳定安全系数下降23.13%，且堤脚处若出现超过1m 以上冲刷坑，堤防可能出现失稳现象，建议及时采取措施进行加固处理。

（2）现状堤防在水位快速下降过程中，迎水侧堤坡稳定安全系数均较低；可采取堤脚处块石加固防冲或将堤坡比1：1.5 回填压实至1：2.0 处理，提高迎水侧抗滑稳定性；迎水侧堤坡可采用铺设浆砌石护坡来提高堤防稳定安全水平。