某碾压石渣料防洪堤边坡稳定有限元计算分析

刘俊青

(江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223005)

1 工程概况

防洪堤作为重要的水工建筑物，在我国河道防洪保安的问题上扮演着重要角色[1-2]。根据我国出台的“十三五”水利规划，需要大量开展防洪治理工程建设，提高防洪能力水平，从而达到减少山洪灾害威胁的目的[3-5]。某流域属中亚热带温润季风气候区，暴雨发生次数较多，暴雨历时长、强度大。洪水过程线以单峰为主，受区域年际气候变化，洪水年际变化较大。该河道流域夏秋多雨，暴雨集中，每年都有不同程度的洪涝灾害，每到汛期，交通因暴雨洪水而中断，基础设施、工矿企业、居民点等不同程度受损。频繁发生的洪涝灾害直接制约着当地经济和社会的发展，如何合理提升当地防灾减灾水平显得尤为重要。鉴于此，有必要及时开展该河道的防洪治理工程建设，从而保障当地人民的生命和财产安全。

该河道防洪治理工程位于某县城河道下游，主要保护县城某镇场镇建筑物及部分郊区农田。根据设计方案显示，该工程堤防均布置在河道左右两岸。由于当地河道地形及岸边建筑物的限制，同时考虑到工程的安全性和经济性，拟建防洪堤的堤身采用当地碾压石渣斜坡式堤防和衡重挡墙复合式堤防两种类型，堤高一般在6～8 m之间，水利工程水工建筑物级别为五级。

拟建防洪堤的河床冲洪积层土体砂粒含量偏大，含水量偏大，不易排水，作为堤基土存在碾压难度大，不易压实，承载力较低，压缩模量低，属高压缩性土，对堤防结构的稳定性存在不利影响。因此，有必要分析在各种工况下堤防边坡的整体稳定性，从而指导和保障该工程建设顺利开展。

2 工程地质条件

工程区处于丘陵与低山过渡带，地貌类型以构造剥蚀宽谷塔状、斜面状中浅丘为主，并沿大背斜核部形成一系列北东向的狭长低山。此外，工程区内较大河流继续分布有侵蚀堆积漫滩及阶地。区域内水系呈现不对称树枝状分布，河谷宽阔，曲流发育，有多级阶地分布。其中，沿河道河谷断续有四级阶地分布，分别高出枯水位7～17 m、30～50 m、70～90 m、105～124 m，表现为壮年期河谷地貌特征。第四系松散堆积层主要分布在河床、漫滩及缓坡低洼地带。

据现场地质调查，工区内未见明显的不良地质现象，但岩体风化、卸荷、河流冲刷等不良地质作用明显。工区上部为第四系全新统人工堆积层、第四系冲洪积、残坡积堆积层，现将各地层岩性由老到新叙述如下：

据钻孔揭露，工区内沙溪庙组岩性多为紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩，其强风化厚度1.9～2.5 m，强风化岩石岩心破碎，多为岩块或岩饼，其采取率为50%～70%。弱风化岩石岩心较完整，多10～30 cm的柱状，其采取率在80%～90%以上。岩层主要为泥岩、粉砂质泥岩风化形成的粉质壤土，其中含有未完全风化的碎石，其含量小于15%，厚度0.5～2.0 m。表层多为粉质壤土，红褐色、褐灰色，可塑状态，有明显的砂感，偶夹薄砂层，厚度1.8～4.8 m；下部多为砂层，褐黄色、灰白色，结构松散，潮湿，偶夹薄层状粉质壤土透镜体，厚度1.0～9.7 m。工程区的地质勘探钻孔岩芯取样见图1。

图1 防洪堤工程区地质勘探钻孔岩芯取样

3 计算参数、计算方法及计算工况

3.1 堤身计算岩土力学参数

根据防洪堤现场勘查及室内岩土试验结果，得到该堤防工程各项岩土力学参数。本次稳定计算主要采用水工结构有限元分析软件Autobank7.07进行[6]，对堤身边坡采用二维渗流有限元法[7-10]进行分析计算。防洪堤堤身岩体力学参数见表1。

表1 防洪堤堤身岩体力学参数

3.2 堤身稳定计算方法

本工程左岸堤防断面堤后填筑量大，砂土层较厚，地质条件差。因此，本工程斜坡式堤防段选取左岸堤防(桩号左A0+308.4)断面作为典型断面进行稳定计算。衡重挡墙复合式堤段稳定计算选取某学校围墙外侧的右岸堤防(桩号嘉A0+077.6)断面作为典型断面。根据相关规范规定[11]，瑞典圆弧法计算公式如下：

(1)

式中：W为土条重量，kN；Q、V为水平和垂直地震惯性力，kN；μ为空隙压力，kN/m2；α为重力线与地面之间的夹角，(°)；b为土条宽度，m；c′、φ′为有效凝聚力，kN/m2和内摩擦角，(°)；Mc为惯性力力矩，kN·m。

3.3 堤身稳定计算工况

根据该防洪堤实际情况，河道内水位大部分时间内比较稳定，出现水位骤降的工况较少，仅存在小幅波动。因此，选取堤身渗流稳定的3种计算工况，具体如下：

①工况Ⅰ：设计洪水位——正常运行情况

②工况Ⅱ：设计洪水位骤降1 m——正常运行情况

③工况Ⅲ：施工完建期——非常运行情况

4 堤身抗滑稳定分析

根据上述堤身的岩体力学参数，采用水工结构有限元分析软件Autobank中的瑞典圆弧法，计算得到3种工况下该防洪堤堤身的抗滑稳定安全系数，详细结果见表2。计算结果包括左岸的碾压石渣斜坡式堤防和右岸的衡重挡墙复合式堤防。

表2 瑞典圆弧法计算防洪堤堤身抗滑稳定成果表

分析可知，在工况Ⅰ时，即在设计洪水位下的稳定渗流期内，左岸的碾压石渣斜坡式堤防的抗滑稳定安全系数为1.171，而右岸的衡重挡墙复合式堤防边坡的抗滑稳定安全系数为1.863，两者均大于规范允许最小值1.10。而在工况Ⅱ时，河道内水位从设计洪水位288.94 m骤降至287.94 m，水位变化幅度较小，此时左岸斜坡式堤防的安全系数为1.155，而右岸的复合式堤防边坡的安全系数为1.792，两者均大于规范允许最小值1.10。当工况Ⅲ时，即在施工完建期内，这时河道内还处于无水状态，不考虑河水作用，为非正常运行状况。此时左岸坡式堤防的稳定安全系数为1.057，而右岸的复合式堤防安全系数为1.217，两者均大于规范允许最小值1.05。说明右岸的衡重挡墙复合式堤防边坡的稳定性较好，而左岸的碾压石渣斜坡式堤防的相对更差，特别是在施工完建期左岸堤防的稳定性最差。

图2和图3给出了采用瑞典圆弧法计算得到的左岸的碾压石渣斜坡式堤防和右岸的衡重挡墙复合式堤防不利滑裂面。从图2可以看出，对于左岸的碾压石渣斜坡式堤防，其滑弧起于坡顶内侧边缘，穿过表层石渣料、中部的粉质壤土以及砂土，从坡脚位置剪出。从图3可以看出，对于右岸的衡重挡墙复合式堤防，滑弧同样起于坡顶内侧，中间穿过粉质壤土层，从亲水平台内侧坡脚的石渣料处滑出，不涉及深层的砂土层。

图2 斜坡式堤防段稳定计算结果(左A0+308.4)

图3 复合式堤防段稳定计算结果(右A0+077.6)

根据上述对防洪堤左岸和右岸堤防的稳定计算结果可知，堤防边坡最不利工况为工况Ⅲ，即施工期完建期，且斜坡式堤防边坡的稳定性小于衡重式挡墙复合式堤防。因此，有必要对斜坡式堤防边坡在施工期完建期的稳定性进行进一步复核。复核工具采用荷兰PLAXIS B.V.公司开发的岩土有限元软件PLAXIS 2D进行模拟计算[12]。为了便于对比分析，同样对图2的左岸A0+308.4断面的碾压石渣斜坡式堤防进行稳定性计算，工况为施工完建期，最终采用有限元强度折减法计算得到堤防边坡安全系数为1.061，与上文中采用瑞典圆弧法计算的1.057非常接近，且达到极限破坏状态时的滑弧分布也基本相同，见图4，说明本文的堤防边坡稳定计算结果是准确的。

图4 斜坡式堤防段稳定PLAXIS复核结果(左A0+308.4)

5 结 论

针对某拟建防洪堤河床堤基土碾压难度大、不易压实、承载力较低、压缩模量低的问题，本文采用水工结构有限元分析软件Autobank对该堤防边坡在不同运行工况下的抗滑稳定性进行了定量计算和分析，同时采用岩土有限元软件PLAXIS 2D进行复核计算，得到以下相关结论：

1) 在各种正常运行工况和非正常运行工况下，左岸的碾压石渣斜坡式堤防和右岸的衡重挡墙复合式堤防边坡的抗滑稳定安全系数均大于规范最小允许值。最危险状况是在施工完建期时的左岸碾压石渣斜坡式堤防，此时缺乏水压力的作用，边坡安全系数仅有1.057，故应当特别重视施工完成时左岸堤防的稳定性。

2) 当达到极限状态时，左岸碾压石渣斜坡式堤防的滑弧起于坡顶内侧边缘，穿过表层石渣料、中部的粉质壤土以及砂土，从坡脚位置剪出。对于右岸的衡重挡墙复合式堤防，滑弧同样起于坡顶内侧，中间穿过粉质壤土层，从亲水平台内侧坡脚的石渣料处滑出，但不涉及深层的砂土层。

3) 通过采用岩土有限元软件PLAXIS 2D对左岸堤防边坡进行稳定性计算复核发现，PLAXIS计算得到的安全系数和最不利滑裂面与Autobank的计算结果基本一致，说明文中堤防边坡的稳定计算结果是准确的。