坡式堤防工程稳定性分析及施工控制技术

张万能

（华池县水务局，甘肃 庆阳 745600）

0 引言

华池县葫芦河山庄段护岸工程地处葫芦河流域，地形西北高、东南低，工程治理段地形破碎，梁峁密布，沟壑纵横，河谷深切，部分基岩出露，为黄土丘陵沟壑区，植被良好[1]。由于现状河道坡岸为天然状态，无明显的设防措施，防洪标准低，夏季强降雨时，行洪对松散坡岸的冲掏会造成岸坡的水毁和崩塌。由于缺乏管理，未能形成河道防洪统一的防御系统，河道两岸村民在河滩开垦种地也严重影响了河道行洪，因此一遇到洪水，周边居民和良田就会受到严重危害[2]。

1 工程概况

华池县葫芦河山庄段护岸工程涉及山庄乡1 个乡镇、3个行政村（大庄村、雷圪崂村和山庄村）、5 个自然村（大庄、庙洼、雷圪崂、车砭和东沟门）、1 个林场（山庄林场），共1205 户，4813 人，耕地3.8 km2。为了确保防护区内5 个村组4800 多人的安全，3.8 km2川台地不被洪水淹没，该文针对现有河道过流能力不足的问题，合理疏浚河道，以期达到防涝减灾的目的。为了保证上述任务的完成，本次治理河道总长为9.854km，修建防洪堤总长11.631km，其中新建生态防洪堤总长11.466km，重力式护岸0.165km。左岸防洪堤共6.558km（坡式堤防4807m，坡式护岸1586m，重力式护岸165m），右岸防洪堤5.073km（坡式堤防4422m，坡式护岸651m）。

2 场区工程地质条件

工程区位于甘肃省东部，地势总体上由西北向东南倾斜，为黄土梁峁丘陵地貌。工程区内的河流下切较深，已切穿黄土至基岩[3]。区内除老爷岭段植被稍差外，大部分植被覆盖较好。

工程建在葫芦河上游二将川，治导线沿河道自然走向的I、Ⅱ级阶地布置。该工程从庙拐沟（桩号0+000）开始，到山庄乡山庄村（桩号9+854）止，治理段河道蜿蜒曲折。此次整治采取顺弯就势的方法，因此新建河堤大致沿原河床及阶地布设。根据治导线通过的地形地貌条件，可将治导线通过地段分为9 段。护岸基础覆盖层中与工程密切相关的主要有第四系全新统冲、洪积物，地质勘查在第四系全新统冲、洪积物层取土样进行了室内试验，试验成果见表1。

表1 砂砾（碎）石颗粒级配试验成果

堤基岩性主要为洪积砂砾石层，其允许承载力建议采用0.3~0.35，变形模量为30MPa~40MPa，与混凝土的摩擦系数为0.45~0.50。下部基岩为下白垩砂页岩，强风化层厚约0.3m~1.0m。基岩岩体较完整，属较完整的厚层~块状结构，其物理力学指标为相对密度2.74~2.75，天然密度2.50g/cm3~2.51g/cm3，弹性模量540MPa~650MPa，变形模量260MPa~370MPa，泊松比0.32~0.33，单轴饱和抗压强度1.0MPa~1.5MPa，抗剪（断）摩擦系数0.40~0.45，弱风化层的允许承载力基岩采用0.5MPa~0.8MPa，岩石允许不冲流速V允平均值取2.0m/s。

3 坡式堤防工程稳定性分析

华池县葫芦河山庄段护岸工程治理采用铰链式生态护坡和C15 细粒砼浆砌石重力式2 种形式。

坡式护岸堤顶宽度为3m，设0.5m 宽、0.2m 厚C20 混凝土压顶。堤线基础需要满足计算冲刷深度要求，堤坡采用铰接式生态护坡，厚度为0.15m，采用铰链式护坡砌块铺设，护坡坡比1 ∶1.5。铰链式砌块的规格为420mm×400mm×150mm，由绞索穿孔连接。基础埋深在河槽深泓线以下1.5m，基础采用C20 砼浇灌处理连接，基础底宽50cm，高50cm，每50m利用C20 混凝土浇灌处理连接，宽30cm。

重力式护坡采用C15 细粒砼浆砌石现浇，迎水坡为直墙，背水坡1 ∶0.3，堤顶厚0.5m，高5.73m~5.89m，平均高度5.81m，基础高度为0.5m。墙后填筑材料选用河床开挖的砂砾石，填筑压实系数不小于0.65。护坡顶以上高边坡削坡比采用1 ∶0.75。每8m 设伸缩缝一道，缝宽2cm，采用聚乙烯泡沫闭孔板填缝。

根据《堤防工程设计规范》（GB5286—2013）附录D1.1-1，护坡的稳定计算包括整体稳定和边坡内部稳定计算2种情况。计算时，华池县葫芦河山庄段护岸工程属于5 级堤防，进行稳定性计算时，基本组合系数取1.10，特殊荷载组合系数取1.05。

3.1 整体稳定计算

边坡的整体稳定安全性系数是评价堤防工程稳定性的重要参数，这是因为堤防工程的填筑材料在自重或者外荷载作用下，主要产生的是土体的抗剪变形。当外力产生的抗剪应力大于土体的抗剪强度时，堤防工程坝体产生相应的塑性变形和稳定性失衡，导致坝体的滑移和坍塌，这种现象极易导致堤防工程的拦水失效。一般而言，由于坝体工程是长条形的构筑物，其整体稳定安全系数与坝体材料的碾轧密实度、土体性能的均匀性以及外荷载的分布有关，因此在一个计算断面上，其结构的失稳抗剪强度最小的包络线会被破坏，需要按极限平衡法求出滑动安全系数搜索最危险的滑动面。坡式堤防稳定安全系数可按公式（1）~公式（3）计算[4-5]。

式中：f1为护坡与土坡的摩擦系数；φ为基础土的摩擦角，°；c为基础土的凝聚力，kN/m2；t为滑动深度，m；W1为护坡体质量，kN；W2为基础滑动体ABC 质量，kN；W3为基础滑动体BCD 质量，kN。

根据治导线通过的地形地貌条件，可将治导线通过地段分为9 段，其分段中心桩号范围以及不同分段范围内的护岸工程整体稳定系数计算结果如表2 和图1 所示，表2 中v1为不冲刷水流速度，k1为护岸工程整体稳定系数，k2为坡式护岸边坡内部稳定性安全系数。从图1 可以看出，随着分段号的增加，护岸工程整体稳定系数k1呈不同程度的波动，其最大值出现在第4 段（3+845~4+510 段），为1.48；最小值出现在第3 段（2+220~3+845 段），为1.23；平均值为1.33＞1.15，满足规范要求，护坡稳定。

图1 护岸工程不同里程分段处的整体稳定性曲线

表2 护岸工程整体稳定性系数k1 和内部稳定性安全系数k2 计算结果

3.2 边坡内部稳定计算

进行边坡内部稳定计算时，维持极限平衡所需的护坡体内部的摩擦系数f2值按公式（4）~公式（7）计算[6-8]。

式中：m1为枯水位以上护坡内坡的坡率；m2为枯水位以下护坡内坡的坡率；W1、W2为护坡体质量。

护坡稳定安全系数按公式（8）计算。

式中：f为护坡体内摩擦角，度。

经试算可得不同分段范围内的护岸工程内部稳定系数计算结果，如图2 所示。从图2 可以看出，随着分段号的增加，护岸工程内部稳定系数k2呈不同程度的波动，其最大值出现在第5 段（4+515~6+120 段），为1.46；最小值出现在第6 段（6+480~7+500 段），为1.24；平均值为1.35＞1.15，满足规范要求，护坡稳定。

图2 护岸工程不同里程分段处的内部稳定性安全系数曲线

4 坡式堤防工程施工控制技术

工程采取机械作业与人工作业相结合的填筑方式，分区分段施工、分层填筑和碾轧。施工时，按照基础开挖→大堤填筑和碾轧→坝体坡砌筑→基坑回填和场地恢复的流程。进行堤坝碾轧时，砂砾土料碾轧后要求相对密度不小0.65；基坑回填时，砂砾土相对密度不小于0.60。

土方明挖以机械开挖为主，人工修整为辅。土方填筑采用装载机配合推土机推运、摊铺和平整，由压路机进行碾轧。采用1m3挖掘机翻土，由7t~9t 羊脚碾配蛙式打夯机分层碾轧。对无条件的地段，用蛙式打夯机分层夯实，其余均由人工翻土，配蛙式打夯机分层夯实。在土方开挖过程中，为了避免对原状土体的扰动，需要对机械设备采取一定的减振隔振措施。在坝体的填筑过程中，有必要对机械设备的施工能力和碾轧动力参数做个必要的现场试验，以确保机械设备能够满足现场实际的碾轧要求。对机械设备难以达到的边角线和不规则转角位置，需要采用人工方法进行土体夯实。对施工碾轧密实后的坝体，需要对碾轧土体进行取样和压实度监测，以保证其压实性能够达到堤防工程的工作性能要求。

混凝土浇筑施工程序：1）需要保持交通、水、电线路畅通，混凝土拌和站建成，拌和机械安装调试完毕，储备砂石骨料、水泥、钢筋以及模板等材料。2）建筑物地基按照设计要求进行开挖和处理，经相关部门检查验收合格后才能进行模板的组装和钢筋绑扎工作。3）合理制定工程施工计划，力求混凝土浇筑工作连续均衡。4）做好砼的养护工作。本工程岸线长，建筑物多而分散，但各建筑物均较小，混凝土浇筑完成后进行洒水或盖湿草帘（袋）养护，以加强保护措施。

铰链式护坡安装施工的工艺：1）护坡基础面施工。对护坡基面进行整平处理。2）铰链式预制块钢绞丝固定施工。先施工底部格埂，将钢绞丝锚固在底部格埂中，待安装好铰接式预制块后，将钢绞丝拉紧锚固在顶部混凝土中。

5 结论

该文以华池县葫芦河山庄段坡式堤防工程为研究对象，采用理论计算的方法分析了整体稳定性和边坡内部稳定性，并提出相应的施工控制技术。结果表明，坡式堤防工程整体稳定系数k1=1.22＞1.15，坡式护岸边坡内部稳定性安全系数k2=1.39＞1.15。提出的施工控制技术经济合理，有效确保了坡式堤防工程的顺利施工，而堤防工程的顺利建成可有效提高区域的防洪减灾能力。