堤防改建工程的稳定性分析

汤万龙，杨 玲，张 浩，冯克义

（北京市水利规划设计研究院，北京 100048）

1 工程概况

蔺沟河左岸堤防位于北京温榆河冲积平原区，属于温榆河河流泛滥区。堤防为2级堤防，长约1174m，现状为土路面，现状堤顶高程30.97m～32.75m。经水面线分析计算，现状大部分堤防顶高程不满足50年一遇洪水加安全超高设防。为确保防洪安全，对现状堤防进行加高修筑，设计堤顶高程32.72m，堤顶加宽修建巡河路，路宽7m。

1.1 地质条件

加高筑堤段的地层岩性按沉积年代、成因类型自上而下可分为人工堆积层、新近沉积层、第四纪沉积层。

人工堆积层：①层粘质粉土-砂质粉土填土，层顶标高为28.98～32.75m，层厚为0.40～5.70m。

新近沉积层：②层细砂-中粗砂，层顶标高为24.85～30.70m，层厚为1.0～4.30m。

第四纪沉积层：③层粉质粘土，层顶标高为22.24～28.40m，层厚为0.40～4.50m。

各层分布情况纵断见图1。

勘测结果表明，②层细砂-中粗砂属对抗震不利地段。因此现状堤防加高及加宽对堤防边坡的稳定可靠度评估成为工程设计必须考虑的问题。

1.2 水位及抗震设防

工程区地下水位埋深1.7～6.0m，水位标高26.00m～30.32m，蔺沟正常蓄水位29.00m，50年一遇洪水位32.22m。土层地下水属潜水，补给来源主要为大气降水、侧向径流及河水渗漏补给。场区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g。

地下水位的升降会引起孔隙水压力变化，破坏土体的结构和强度。在粉细砂及粉土为主的斜坡，水位上升会使砂土产生流砂、管涌现象。地震时有可能使砂土液化，降低边坡的自稳能力。

大量边坡失稳原因分析表明，几乎所有的崩塌、滑坡都与水有关，特别是地下水的存在及变化往往是边坡失稳的主要条件。因此，进行堤防边坡稳定可靠性评估计算，应重视水位升降变化对边坡稳定性的影响。

2 稳定性分析

堤防稳定定量分析是堤防工程设计的基础和依据。对堤防边坡稳定的可靠性分析主要是寻找最危险滑动面，工程实践中基本上是采用极限平衡法。除极限平衡法外，目前应用的基本计算方法和理论还有随机有限元法等[1]。随机有限元法计算精度高，且可以考虑不同土体的变异性及参数的相关性，但计算过程繁复、费时，不利于工程技术人员在设计边坡或复核边坡稳定可靠度中采用。经典分析方法计算有比较明确的极限状态，可操作性强，有利于工程实际应用。因此，采用经典极限平衡法进行堤防边坡稳定分析评估。

经典极限平衡法一般步骤是先假定土体沿某一滑动面滑动，根据滑动土体的静力平衡条件和破坏准则如莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则计算沿该滑动面滑动的可能性，即安全系数。然后再假定若干可能的滑动面，用同样方法计算安全稳定系数，并从中找出最小值，以此代表土坡的稳定安全系数[2][3]。

2.1 极限平衡法原理

极限平衡条分法最早由瑞典人彼德森在1916年提出。认为土体沿圆弧形滑裂面滑动，并将土体划分为多个垂直条块，如图2。在计算过程中不考虑土条间的作用力，定义稳定安全系数为滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比。

在以后的若干年中，许多学者对极限平衡条分法进行了不同的改进，出现了一系列简化计算方法，如瑞典条分法（Swedish）、毕肖普法（Bishop）、简布法（Janbu）、摩根斯坦-普赖斯法（Morgenstern-Price）等，各种简化方法及其局限性分析见参考文献[5]。经典分析方法瑞典圆弧滑动法计算抗滑稳定安全系数的公式如下：

（1）水位降落期抗滑稳定安全系数（总应力法）：

（2）稳定渗流期抗滑稳定安全系数（有效应力法）：

式中，

b—条块宽度 (m)；

W—条块重力，W=W1+W2+ρwZb(kN)；

W1—在堤坡外水位以上的条块重力 (kN)；

W2—在堤坡外水位以下的条块重力 (kN)；

Z—堤坡外水位高出条块底面中点的距离 (m)；

u—稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙压力 (kPa)；

ui—水位降落前堤身的孔隙压力 (kPa)；

β—条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角 (度)；

γw—水的重度 (kN/m3)；

Ccu,φcu , C',φ',—稳定渗流期，水位降落期土的抗剪强度指标 (kN/m3，度)。

2.2 计算工况

根据地层岩性分布，选取②层细砂-中粗砂分布较深的两个地层断面作为典型断面分别计算堤坡的安全系数，断面地层岩性分布见图3、图4。

土堤抗滑稳定计算分为正常和非常两种情况。

（1）正常情况稳定计算：

工况一：设计洪水位稳定渗流期，背水侧堤坡；

工况二：设计洪水位骤降至堤坡脚处，临水侧堤坡；

（2）非常情况稳定计算：

工况三：正常蓄水位遭遇8度地震的临水、背水侧堤坡。

堤坡临水侧设计坡比为1:3，背水侧设计坡比为1:2。堤身地层岩性及土的物理力学性质参数见表1。计算时，地层物理参数根据不同地层岩性选取。

2.3 求解

手工计算最危险滑动面稳定安全系数过程复杂，且精准度难以保证，技术的进步借助计算机处理效率高且精度高。GEO-SLOPE/W软件的分析模块能对边坡稳定安全系数计算进行可靠分析并有其独特的优越性[6]。

表1 堤身地层岩性及土的物理力学性质参数表

利用GeoStudio SLOPE/W边坡分析软件构建计算模型，分别采用瑞典条分法，毕肖普法，简布法及摩根斯坦-普赖斯法求解两个典型断面最危险滑动面对应的稳定安全系数，结果见表2，表3。

表2 断面一边坡稳定安全系数计算结果

表3 断面二边坡稳定安全系数计算结果

3 结果分析

《堤防工程设计规范》（GB 50286-98）规定2级堤防正常运用工况抗滑稳定安全系数为1.25，非常运用工况为1.15。根据计算结果，正常运用工况下断面一及断面二抗滑稳定最小安全系数为1.39（断面一工况二临水侧堤坡，瑞典条分法）。因此，评定正常运用工况断面一及断面二抗滑稳定满足规范要求。在非常运用工况下，断面一临水侧瑞典条分法（0.947），毕肖普法（1.084），简布法（0.990），摩根斯坦-普赖斯法（1.104）计算的抗滑稳定安全系数均小于规范规定的1.15；断面二临水侧瑞典条分法（1.088），简布法（1.108）计算的抗滑稳定安全系数小于规范规定的1.15。据此评定地震条件下临水侧堤坡易失稳。

4 结论

（1）根据堤防加高改建断面设计参数及地层岩性参数，正常运用工况堤防抗滑稳定满足规范要求，非常运用工况临水侧堤坡抗滑稳定不满足规范要求。

（2）由于②层细砂-中粗砂没有凝聚力，在振动作用下结构容易破坏，强度降低，最不利的情况下发生“液化”，容易产生流土。为确保堤防安全稳定，建议通过加固措施如注浆法、水泥土搅拌法、混凝土防渗墙法等对临水侧堤岸进行处理，以确保堤防边坡稳定。

[1]张俊芝, 邹传仁. 服役堤坝边坡稳定最危险滑动面的可靠度分析[J]. 中国农村水利水电, 2007, (10): 54-57.

[2]GB 50286-98. 堤防工程设计规范[S].

[3]钱家欢. 土力学[M]. 江苏: 河海大学出版社, 1988.

[4]John Krahn. Stability Modeling With SLOPE/W [M]. Canada:GEO-SLOPE/W International Ltd, May 2004: 37-79.

[5]陈祖裕. 土质边坡稳定分析[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2003.

[6]郑涛, 张玉灯, 毛新生. 基于Geo-Slope软件的土质边坡稳定性分析[J]. 水利与建筑工程学报, 2008, 6(1): 6-8.