临夏莲花护岸除险加固工程稳定性分析

赵 鹏

（华北水利水电大学，河南 郑州 450003）

0 堤防概况

临夏县莲花护岸作为库区移民赖以生存的生活、生产的生命线，是当地百姓生产生活重要的安全保障。自修建以来，莲花护岸几经除险加固，已运行二十余年，对保障莲花镇移民安全生产生活提供了重要保障。但近年来洪水灾害对护岸造成冲毁，且局部段护脚破损、护面沉陷等损毁严重，严重威胁到沿岸库区移民生命财产安全，为防止水毁扩大保障美丽乡村建设，临夏县提出对莲花护岸进行除险加固，该工程实施后使得刘家峡水电站库区临夏县莲花镇护岸形成完整的防洪体系。

临夏县莲花护岸除险加固工程位于临夏县东北部莲花镇境内黄河刘家峡水电站水库末端西南边缘。临夏县莲花护岸除险加固工程共计4.875 km，根据建设情况主要分四段，包括K0+000～K4+054.53（簸箕沟至关咀沟）段4.054 km，K4+054.53～K4+459.38（关咀沟至苜蓿怀沟）段0.405 km，K4+459.38～K4+625.41（苜蓿怀沟至大草沟）及K4+694.45～K4+841.96（大草沟至路壕沟）段0.314 km，K4+625.41～K4+694.45 及K4+841.96～K4+875.37（大草沟至路壕沟连接）段0.102 km。

1 工程地质

护岸工程区地层岩性主要为第四系地层及新近系地层，主要有：1）第四系人工堆积层（Q4ml）：主要位于护岸岸坡、坡脚及护岸路。护岸路填土以粉土夹少量砾石为主。护岸岸坡及坡脚主要为混凝土及混凝土碎石等。2）第四系全新统粉质壤土层（①Q4al+pl）：为粉质壤土，黄褐色，土质较均勾，孔隙较发育，干～饱和。上部多呈稍湿状，具摇振反应，5 m以下多为半饱和至饱和状态、流塑。局部冲沟低洼处发育淤积粉质壤土层，为粉质壤土，黄褐色，土质均匀，粉粒为主，较松散。该层局部夹粘性土条带或团块，偶夹小砾石。3）第四系全新统粉质粘土层（②Q4al+pl）：褐红色，多为可塑～硬塑状，局部为软塑，一般位于粉质壤土层以下。厚度一般1m左右，一般以透镜体发育。4）第四系全新统砂砾石层（③Q4al+pl）：杂色，磨圆度中等，次圆状，粒径以2 cm～8 cm 为主，充填物以中、粗砂为主，分选差，砾石含量约占60%～65%，—般呈中密至很密，局部夹有中、粗砂薄层。卵石层厚度一般为5 m～8 m，最大揭露厚度12.20 m。5）新近系临夏组泥岩夹砂岩（④N）：棕红色，产状平缓，构成库岸基底地层，质地较软，物理力学强度指标较低。

护岸区内水文地质条件较简单，新近系泥岩为本区良好的隔水层，含水层主要为第四系冲积含漂石砂卵砾石层，赋存型式以孔隙性潜水为主，其补给型式主要以大气降水和田间灌溉回归水及水库库水补给为主。勘察期内地下水埋深一般0.33～7.90 m，地下水高程一般1 722.44～1 733.50 m。高水位主要分布于支沟处及附近。

护岸区内水化学类型有HCO3-Mg·（Na+K）型、HCO3-Mg·Ca型、SO4·CL-（Na+K）·Mg 型。PH 值在7.48～8.60 之间，属于弱碱性水，HSY03水样SO42-、CL-含量高，该水样为沟水，可能受上游生活用水排放或生活垃圾影响。由于环境水对混凝土、钢筋混凝土中的钢筋和钢结构结构具有一定腐蚀性，建议采取相应的防治措施。

护岸区内无大型滑坡及塌滑体，主要发育黄土冲沟侵蚀及陡坎前缘浅表塌落，规模小，对工程无影响。临夏区属季节性冻土区，临夏莲花镇冻土深度较厚，约为100 cm。在冬季现有堤防上部土层及混凝土面板可能发生冻胀破坏。

护岸主要工程地质问题评价：①地震液化：护岸区内可能液化地层为粉质壤土层。本工程粉质壤土粘粒含量10.60%－29.50%，平均粘粒含量16.50%，初判为可能液化地层，根据液性指数试验指标，液性指数平均值为0.10，复判为不液化，综合判断该地层液化可能性小。②渗透变形：根据水利水电工程地质勘察规程中关于土的渗透变形判别（附录G），地基土地粉质壤土和粉质粘土渗透变形为流土型；砂砾石层为管涌型。根据试验成果，结合工程经验，粉质壤土的允许水力比降建议值J允许=0.35-0.4，粉质粘土的允许水力比降建议值J 允许=0.4-0.5；砂砾石层允许水力比降建议值J允许=0.1-0.15。③地基土沉降变形：据室内试验成果，粉质壤土层及粉质粘土压缩系数多在0.1-0.4之间，多属于中压缩性土，土层分布整体较均匀，由于地基土体的压缩模量局部有所差异，地基可能产生沉降变形，建议应进行相应的处理，在附加荷载较小的情况下，不会发生较大的沉降和不均匀沉降变形。④湿陷性：上部粉质壤土为冲洪积黄土状土，据室内试验成果，200 kPa压力下湿陷系数为0.004-0.032 之间，湿陷系数大于0.015 主要位于上部3 m以上的原状地层，故未扰动土上部3 m 一般具有湿陷性，建议对新建护岸段上部原状地层进行相应的工程处理。现状护岸地层取样湿陷系数小于0.015，不具湿陷性。⑤冲刷淘蚀：护岸土层主要为粉质壤土，抗冲刷能力低。洪水期的冲刷淘刷，易引起堤基冲刷坑的形成，进而导致堤身的坍塌等问题。目前护岸工程主要为混凝土面板护岸和混凝土块体护岸，临水区有护脚，受库水位变化影响，混凝土面板下部受冲刷淘蚀影响，以面板局部脱落，护脚变形及开裂表现为主。⑥库岸稳定性：新建护岸段为两处支沟处，小桩号拟新建护岸支沟宽约16 m，高程1 730 m，两岸台阶高程1 740 m～1 745 m，沟内地形平缓，该支沟上部设有灌溉排水渠，灌溉水沿支沟下排；大桩号拟新建支沟宽约38 m，两岸台阶高程1 736 m～1 742 m。距离现状库水位大于200 m，两处支沟处两岸近直立，岩性为粉质壤土。刘家峡水库正常蓄水位1 735 m，拟新建护岸处于水位变动区范围，护岩岩性为粉质壤土，抗冲刷淘蚀能力差，不防护情况下，易塌岸，有必要进行护岸防护。

2 护岸加固设计

根据现状调查情况，现状破损严重段大部分集中于现浇混凝土板段，冲刷淘蚀造成护面破损，局部严重段落甚至淘蚀堤身，考虑护岸及堤防的整体稳定性，拟对破损严重段进行整段拆除重建。考虑风浪淘蚀对砂砾垫层及堤身的破坏，将原混凝土护面及砂砾垫层拆除，并根据堤身现状破坏程度，挖除垫层以下30～50 cm厚填土，堤身开挖后重新回填夯实，护面坡度设计为1：1.75。

1 732.50 m 以下段：重建护面采用格宾石笼生态护岸，厚度采用50 cm，下铺设30 cm厚砂砾垫层及350 g/m2的土工布以起到反滤作用。

1 732.50 m～现状硬质堤顶：采用植生型护垫防冲刷，采用高性能生态基材喷播技术快速成坪绿化，坡度采用现状护岸坡度。

现状硬质堤顶～培厚加高堤顶：土方填至同现状硬质护岸同坡度，采用高性能生态基材喷播技术快速成坪绿化，表面采用加筋麦克垫防冲刷。

3 堤防稳定计算

3.1 计算断面选取

每1 km 选取1 个最不利断面作为代表进行渗流稳定和抗滑稳定分析，选择原则是堤身较高或地质状况较差的薄弱断面。此次设计共选取4个断面进行计算，桩号分别为0+034.5、2+078.5、3+202.5及4+754.8（新建段）。

根据地质勘察成果，各计算断面堤身填筑土、堤基土层地质参数见表1。

表1 计算断面稳定计算地质参数表

3.2 计算工况

按照《堤防工程设计规范》（GB50286～2013）的有关规定，选择以下工况进行计算：①工况一（设计洪水位工况）：设计洪水位1 735.00 m下的稳定渗流期或不稳定渗流期背水侧堤坡；②工况二（骤降工况）：设计洪水位1 735.00 m 24 h内水位骤降3 m的临水侧堤坡；③工况三（地震工况）：设计洪水位1 735.00 m时遭遇0.15 g 地震力的临水侧及背水侧堤坡；④工况四（施工工况）：施工期1 726.00 m水位下的临水侧及背水侧堤坡。

3.2.1 渗流稳定分析

依据规范规定，渗流在背水坡坡脚出现所需时间T由下式确定：

式中：K—本次设计堤防的渗透系数（m/s）；n0—本次设计土的有效孔隙率；n—本次设计土的孔隙率；SW%—饱和度。

黄河上游洪水涨落较缓，历时较长，洪次较少，间隔较长，堤防在汛期挡水时间长，能形成稳定渗流。

渗流计算采用《水工结构有限元分析系统》（AutoBANK 7.079）计算，通过输入土的不同参数，采取有限元法进行计算，并以此生成堤防浸润线，作为渗流稳定计算的一个依据。渗流稳定计算结果见表2。

表2 渗流稳定计算成果表

经计算，堤防加固后选取的计算断面的平均出逸比降均小于其允许出逸比降，不会发生管涌及流土等渗透破坏。新建段位于大草沟、路壕沟中，上下游水位差大，出逸比降大，易造成渗透破坏，对该段设置戗台压渗。

戗台高3.00 m，宽5.00 m，坡比1：3，戗台坡脚设反滤层，设置戗台后出逸比降下降至0.076，满足防渗要求。

3.2.2 抗滑稳定分析

此次设计为5 级堤防，依据规范要求，正常运行情况下最小稳定系数为1.10，非常运用情况下最小稳定系数1.05。采用瑞典圆弧法进行计算。

抗滑稳定计算结果见表3。

表3 抗滑稳定计算成果表

经计算，不同工况下，堤防临、背水侧边坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

3.2.3 沉降计算

堤防加高后地基附加应力使地基产生沉降变形，压缩变形S2按下式计算：

式中：S2—未加固土层的压缩变形量（mm）；ψS—沉降计算经验系数；p0—附加压力（kPa）；ESi—本次设计堤防底第i 层土的压缩模量（MPa）；zi、zi-1—本次设计堤防底到第i、i-1 层的距离（m）；a-i、a-i-1—本次设计堤防底计算点到第i、i-1 层范围内的平均附加应力。

本次仍选取0+034.5、2+078.5、3+202.5 及4+754.8 四个典型断面复合地基承载力及沉降变形。

经计算，桩号0+034.5、2+078.5、3+202.5及4+754.8地基应力分别为133.53 kpa、51.55 kpa、45.22 kpa、127.42 kpa，均小于140 kpa，满足地基承载力要求。

桩号0+034.5、2+078.5、3+202.5 及4+754.8 地基沉降量分别为101.13 mm、79.07 mm、60.65 mm、110.62 mm，堤防不同段最大沉降小于150 mm，满足规范要求。

4 结语

文章基于临夏护岸除险加固工程实例，查明护岸工程地质，通过对护岸加固方案，而后进行稳定性分析，满足设计规范要求。通过研究分析，得出主要结论如下：①护岸除险的主要因素为风浪冲刷淘蚀、硬质护岸延展性差。②为保证护岸的稳定以及维持黄河护岸的生态性，表面采用抗冲刷强度高的加筋麦克垫，常水位以上采用高性能生态基材喷播技术快速成坪绿化。