塔里木河防洪堤防及护岸工程稳定性分析

申 俊

(塔里木河干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

地形地貌的发展和坡面侵蚀是导致流域形成洪水的主要原因[1]。这些大多是人类无法控制的因素。每年6—9月，我国部分流域受到季风的影响，降雨量陡增，平均降雨量可达1800 mm/a[2]。丰富的水资源仍未得到充分利用，反而频繁的洪水造成了严重的灾难，流域内的一些地区不断受到河岸侵蚀和洪水的破坏[3]。下垫面的复杂构造和季风性降雨会导致河中的水流存在不稳定性，因此对于洪水的形成，预报的难度较大[4]。这意味着河流中的洪水和河岸的侵蚀只能通过其表现出来的状态来制定适应性对策，对不断变化的河流进行综合治理来解决以上问题[5]。本研究旨在对河岸防护工程进行升级改造，进一步提升工程的抗汛、抗侵蚀的能力。

1 研究区概况

塔里木河流域在地域上包括塔里木盆地、周边向中心聚流的九大水系、114条源流和塔里木河干流、塔克拉玛干大沙漠及东部荒漠区。流域总面积102万km2，流域内有5个地(州)的42个县(市)和兵团4个师的55个团场，全流域总人口902万人，流域内现有耕地136.27万hm2。九大水系包括孔雀河、迪那河、渭干河、库车河、喀什噶尔水系、叶尔羌河、和田河、克里雅河、车尔臣河水系。塔里木河是一个封闭的内陆水循环和水平衡的相对独立的水文区域，该河干流上段从阿拉尔到曲毛格金河段属动荡型河道，河势的变化非常频繁且幅度较大，河流周围地区一直面临着洪水泛滥和河岸侵蚀等重大问题，该河段护岸工程的长度为6500 m，位于曲毛格金上游约12 km 处。

2 实例研究

现有的防洪堤在其整个长度上没有统一的横截面。平均截面的特征是：顶部宽度为4.5 m；距地面的高度为4.0 m；两侧边坡为1.5∶1。

在大部分时间里，防洪堤没有经受洪水的冲击。然而在雨季，暴雨导致河岸水位的快速上升，河堤从低负荷上升到极端负荷可能只需要几个小时。为了提高防洪堤的性能，需要考虑抵抗水压力和其他载荷的岩土稳定性，汛期发生其他破坏的可能列为临时荷载。同时在洪泛区进行了底土勘探工作，同时进行了实验室测试。根据现场调查和实验室分析，确定了合适的土壤参数。

防洪堤的几何形状可根据所用材料的类型和施工条件而改变。防洪堤的顶部宽度需大于2.5 m，以便维修车辆进入。不规范的维护操作如在修整植被时移除大量的土壤可能会导致斜坡变陡，防洪堤坡度的改变会导致洪水在堤岸表面和上方泛滥。将加高防洪堤的顶部宽度和高度设置为4.5 m和6.5 m，对上述边坡改造进行稳定性分析。

2.1 防洪堤分析

在提高现有防洪堤高度的研究过程中，考虑三种情况：第一，在农村和河边都可以扩大基底宽度的情况，最终防洪堤部分的高度设定为6.5 m，基底宽度为24.00 m；第二，由于一些农村人口密集，农村的河段不可能扩大基础宽度，将该防洪堤段的高度设为6.5 m，基底宽度为20.25 m；第三，存在两边都不能加宽底部宽度的情况，防洪堤高6.5 m，基底宽16.50 m。

每种截面类型都需要单独进行分析和设计，分析过程应包括静态分析和动态分析。

2.1.1 静态分析

对于静态边坡稳定性分析，采用了简化毕肖普法、简化詹布法、普莱斯法。在这些方法中防洪堤土体被划分成若干层，为每一层建立平衡方程并求解。简化毕肖普法考虑层间法向力，忽略层间剪力，满足整体力矩平衡，但不满足整体水平力平衡；简化詹布法也只考虑层间法向力，而忽略层间剪力，满足整体水平力平衡，但不满足整体力矩平衡；普莱斯法既考虑了层间剪力和法向力，也满足力矩和水平力平衡。

对于任一横截面，都需要反复进行多次分析，并且需要多次试验来确定具有最小安全系数的临界滑动面。使用Geo-Slope软件进行模拟。防洪堤土的参数为：内聚力为18 kN/m2，内摩擦角为24°。

在静态条件下，通过不同方法确定的边坡稳定性安全系数如表1所示。

表1 不同路堤断面边坡安全系数

图1展示了通过普莱斯法获得的三个防洪堤断面的临界滑动面。

图1 普莱斯法确定不同防洪堤断面在静态条件下的临界滑动面

2.1.2 动态分析

在考虑临时荷载时本文以地震为例。地震在山区和丘陵地带发生时会造成许多滑坡和落石，并产生了大量的沉积物，这些沉积物会进入河流系统。随着额外的沉积物向下游累积，扰乱了正常的河流秩序。地震的另一个后果是，滑坡碎片会在某些支流上形成临时大坝，这可能会在长达数月的时间内阻挡大量的水，当这些大坝最终坍塌时，高度和速度都很大的破坏性洪水会冲下山谷。此外地震作用还会液化洪泛区的细砂和淤泥沉积，导致河岸和防洪堤的逐渐破坏。当地震来临时，防洪堤可能不会出现完全坍塌的情况，但可能会出现不可逆转的永久变形。因此，在动态分析中，有必要估计与地震相关的惯性力可能导致的永久变形。为此，第一步是确定地震发生前存在的地面应力的原位状态，然后震动地面。三种断面的防洪堤初始应力等值线图,如图2所示。

图2 防洪堤断面的初始静态应力等值线

在下一步的模拟中，防洪堤将经受持续为44.3 s的地震加速度—时间历程，如图3所示。

图3 典型加速度—时间历程

该数据的记录具有0.02 s的恒定时间间隔。使用纽马克分析方法来检查地震期间堤岸的稳定性和永久变形情况。

对于防洪堤的每个设计剖面，利用初始应力条件确定边坡的强度。在震动期间，考虑恒定的不排水强度特性，计算震动过程中所有时间步长的剪应力，得到了每个时间步长的安全系数。在任意时间步长确定由动态惯性力引起的总剪力，然后除以总滑动质量，得到总滑动质量的平均加速度。

图4展示了三个防洪堤断面的安全系数随时间的变化。

图4 动荷载作用下防洪堤断面安全系数随时间的变化

当震动偏向于河边时，安全系数上升。地震期间的安全系数变化很大，在震动期间，初始静力加上惯性力超过可用剪切阻力的时间很短，在此期间堤岸会暂时失去稳定性，导致不可恢复的变形。这些变形会累积，并在震动结束后导致永久变形。

对于每个设计断面，可按照以下三个步骤估计出最终变形的值。首先，绘制具有平均加速度的安全系数图，以确定屈服加速度，屈服加速度定义为对应于安全系数1.0的平均加速度。第二，随时间绘制平均加速度。第三，将该图中大于屈服加速度的面积积分两次，以获得累积变形。三个防洪堤断面的临界滑动面如图5所示。

图5 动荷载下防洪堤断面变形最大的临界滑动面

表2列出了以上特定滑动面对应的安全系数和永久变形值。可以观察到，断面一对应的防洪堤在两侧加宽后没有发生永久变形。因此，断面一应为合适的设计方案。

表2 路堤断面安全系数和变形系数的比较

2.2 河岸保护工程

塔里木河河岸的几个部分已经被严重侵蚀。护岸需要延伸至该河段低水位以上的整个河岸。然而，在建造护岸之前，为了防止河岸边坡的长期侵蚀，建议首先用填砂土工袋(土工织物袋)保护低水位以下。工程开始时，首先在低水位以下的河岸坡脚上方放置一个由土工袋制成的水下护坦。这种即时保护措施下的坡角将会相对较陡，因为袋子被放置在沿侵蚀河岸的自然斜坡上。如果冲刷和河岸侵蚀继续，将导致斜坡变得更平滑，最终倾角将确定为2∶1，将柔性土工袋在新的稳定斜坡上单独重新排列。在上述施工过程，会出现一些岩土方面的不稳定，需要对其进行修整，以保证河岸防护工程是在岩土条件稳定的基础上建立起来的。

3 结 论

塔里木河的现状表明，未及时修整毁坏的堤岸和河岸工程会带来一些损失，有必要对其进行进一步的维修改造，本研究设计了三个不同的方案，结合静态分析与动态分析识别出可行性最优的堤岸设计方案，以期加强现有的堤岸网络，提供更稳定措施来减轻侵蚀风险。