防洪堤边坡稳定计算方法研究——以梅州市五华县增塘堤升级改造工程(二期)为例

邹国业

(五华县附城堤防事务所，广东 五华 514400)

1 项目背景

本项目位于梅州市五华县琴江右岸，琴江河流域面积为2 871 km2，主河道长136.50 km，河道平均坡降为1.10‰。本工程控制断面上坝水电站拦河坡控制集水面积为2 841 km2，占琴江流域面积的99%。梅州市五华县增塘堤升级改造工程(二期)改造堤防总长1.847 km。升级改造内容主要为防洪工程，堤防工程设计防洪标准为50年一遇，堤防工程等级为2级。项目完成后，将进一步提升五华县城的防洪安全，促进基础设施完善，改善流域生态环境，促进区域长治久安[1]。

2 计算断面选择

坝身边坡稳定分段计算主要以地表至堤基下一定范围内的土体地质岩性资料为主要依据，同时考虑地下水位及堤防填方高度情况，尽量使每段内各项物理力学参数相近[2-3]。针对本文所述案例，右堤选取5个典型断面进行计算，分别为R01、R02、R03、R04、R05；左堤选2个典型断面进行计算，分别为L01和L02。坝身边坡稳定计算采用的各材料物理力学性质指标见表1。

表1 物理力学性质指标表

在本文所述案例中，由于杂填土、素填土不是天然地层，仅在地表零星分布且厚度很小，因此在计算冲刷深度时不考虑其影响；成层分布的有角砾和砾砂两层，其他地层呈透镜体分布，故冲刷深度的计算以角砾和砾砂为主；从地质剖面图来看，钻孔揭露的基岩位于设计河底线以下2.3 m或更多，且岩体自身在承载力、抗冲刷、防渗及抗渗变方面均远优于上覆砂卵砾石层，因此可以不考虑基岩地层的抗冲刷和渗透稳定问题[4]。

3 渗流稳定计算方法

本文所述案例为堤塘升级改造工程，属于堤防新建及加固工程，主要采用砾砂、角砾填筑，堤基主要为砾砂、角砾等。堤身、堤基渗透破坏类型主要为管涌，砾砂、角砾的允许水力比降值分别为0.18、0.17。

在出逸坡降计算过程中，渗流采用有限元数值分析方法计算，应用河海大学工程力学研究所研制Autobank7.0软件程序进行计算，该程序假定渗透介质不可压缩，渗流符合达西定律[5-6]。计算域内没有源密度的情况，各向异性连续介质二维稳定渗流场的控制方程为：

式中：H为渗流场的水头；kx、ky为主渗透方向的渗透系数。

边界条件如下：

已知水头边界：H(x,y)|Γ1=Φ(x,y)

渗流逸边界：H=Z

根据泛函与变分原理，将计算区域划分为有限个单元，单元任意点水头由单元结点水头插值确定，通过对单元集成，建立代数方程组，求解方程组可得到渗流场的数值解即各结点的水头值，进而可进行渗透比降和渗流量的计算[7-8]。根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)渗流及渗透稳定计算中规定，渗透稳定计算工况主要分两种情况考虑[9-10]。

工况1：河道设计水位正常运行，堤外无水，需复核堤防背水坡稳定。

工况2：河道设计水位非正常运行，附加地震荷载，需复核堤防临水、背水侧堤坡。

当实际出逸坡降大于允许渗流坡降时，可能发生渗透破坏，应采取措施；反之，则不会发生渗透变形。

4 边坡抗滑稳定方法

边坡稳定分析采用瑞典圆弧法，采用河海大学Autobank7.0软件计算[11-12]，计算原理如下：

式中：K为某滑弧的安全系数；ci、φi分别为土条的凝聚力和内摩擦角；αi为土条底面中点切线与水平线的夹角；li为土条长度；bi为土条宽度；Wi为土条重。

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)，3级堤防边坡允许最小安全系数在正常工作条件下取1.20，在非正常运用条件下取1.05；4级堤防边坡允许最小安全系数在正常工作条件下取1.15，在非正常运用条件下取1.00。边坡稳定分析计算主要分两种情况考虑[3,13]。

工况1：河道设计水位正常运行，堤外无水，需复核堤防迎水坡、背水坡稳定。

工况2：河道设计水位非正常运行，附加地震荷载，需复核堤防临水、背水侧堤坡。

本河道段滩地设计水深较浅，水位骤降对渠道边坡影响较小，故不进行河道设计水位骤降期的堤坡稳定计算。

5 结果分析与措施研究

针对梅州市ZT防洪堤升级改造工程，按上述方法和条件对本段渠道典型断面进行防洪堤渗透稳定、边坡稳定计算，Autobank7.0软件计算结果见表2。

表2 防洪堤渗透稳定、边坡稳定计算结果表

根据表2中结果可知，ZT防洪堤右堤R01、R02、R04和左堤L02典型断面堤防的出逸比降不满足其土壤类型的允许水力比降值，其余断面满足规范要求。右堤R02、左堤L02典型断面的边坡稳定安全系数不满足规范要求，其余断面满足规范要求。不满足稳定要求的各典型断面示意图见图1-图4。

图1 右堤R01断面浸润线及滑弧

图2 右堤R02断面浸润线及滑弧

图3 右堤R04断面浸润线及滑弧

图4 左堤L02断面浸润线及滑弧

针对渗透稳定、边坡稳定不满要求的断面采取处理措施如下：

右堤R02断面：背水坡后的大坑回填至现状地面线。

左堤L02断面：背水坡后填高约1.6 m，长约38.5 m，与现状地面线相连。

右堤R01、R04两个断面：背水坡设置戗台。R01戗台尺寸为长22 m、厚1.6 m；R04戗台尺寸为长30 m、厚1 m。

经工程措施处理后的断面边坡稳定及渗流稳定计算结果见表3。

表3 防洪堤升级改造后渗透稳定、边坡稳定计算结果表

根据表3中结果可知，ZT防洪堤经过升级改造后，其右堤R01、R02、R04及左堤L02典型断面渗透稳定、边坡稳定计算结果均能满足规范要求。经升级改造后的各典型断面示意图见图5-图8。

图5 升级改造后右堤R01断面浸润线及滑弧

图6 升级改造后右堤R02断面浸润线及滑弧

图7 升级改造后右堤R04断面浸润线及滑弧

图8 升级改造后左堤L02断面浸润线及滑弧

为保证河道主槽稳定，同时不会对防洪堤防洪效果造成影响，本文运用上述方法将河道主槽典型断面防洪堤渗透稳定、边坡稳定进行同步计算。《河道整治设计规范》(GB 50707-2011)8.4.3款规定，在河道扩挖和疏浚设计时，应根据水流条件、地形地质条件，参照现行国家标准《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)的附录F进行稳定计算后，确定相应的坡比[14-15]。河道主槽计算断面选择、渗流稳定计算方法、边坡抗滑稳定方法与防洪堤边坡稳定计算方法相同，在此不作赘述。计算结果见表4。

表4 主槽边坡稳定计算结果表

根据计算结果可知，河道主槽典型断面的边坡稳定安全系数满足规范要求，可不再额外进行工程加固。

根据本文研究案例及主要计算结果可知，本文所述土体级配断面划分法、各向异性连续介质二维稳定渗流场计算法、Autobank7.0辅助瑞典圆弧计算法在断面选择、渗流稳定计算、边坡抗滑稳定计算、河道主槽稳定计算等方面应用效果较好，具有一定的适用性与准确度。