堤防稳定分析计算

2014-09-05罗日东

黑龙江水利科技 2014年12期

关键词：土堤堤坡条块

罗日东

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

堤防稳定分析计算

罗日东

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

河道堤防工程作为不同洪水频率下的挡水建筑物，其本身的稳定性至关重要。2013年8月松花江干流发生了大洪水，沿江堤防出现了上千处险情，主要原因是干流堤防有些未达标，堤身断面小。文章结合松干堤防工程实例就堤身渗透性稳定计算，典型断面的选取计算及堤身抗滑稳定分析计算，供同类工程建设借鉴参考。

水利；堤防工程；堤身稳定；分析计算

0 前言

2013年8月松花江干流发生了自1998年以来的最大洪水，尼尔基水库以上发生了近50年一遇的大洪水，水库调节后嫩江干流富拉尔基以上洪水频率为20 a一遇左右，富拉尔基以下为10～20 a左右。松花江干流堤防出现上千处险情，主要原因是干流堤防有一半以上堤防未达标，堤身断面小，顶宽过窄，边坡过陡，加之筑堤土质不好，多为砂基砂堤，导致汛期堤防渗漏、滑坡、管涌、散浸等，多处出现险情。整个松花江干流险工1955处，其中肇源堤险工38处，新城堤险工14处，绥滨堤险工134处。由此看出，科学合理的计算堤防稳定十分重要[1]。

1 堤身渗透稳定分析

1.1 计算断面选取

计算断面的选取是根据工程地质勘探和土工试验结果，结合地形条件、堤防险工弱段、堤体结构、堤体高度和填筑材料等，选取典型断面进行稳定计算，所选断面应为代表性较好的断面[2]。各计算断面桩号、设计洪水位及堤防断面特征值见表1。

1.2 堤身的渗流分析

堤身的渗流分析主要计算堤内平均渗透比降、背水坡渗流出口比降，分析渗流对土体的破坏作用及发生渗流变形的可能性，以便采取防止渗透变形的措施。

堤身浸润线计算可分两类：一类为堤身直接坐落在透水层上(砂基)，浸润线计算按透水地基考虑；另一类为堤身位于完整的黏土层上(土基或双层地基)，浸润线计算按不透水地基考虑[3]。

表1 典型断面特性表

不透水地基均质土堤渗流按下式计算。计算简图见图1。

图1 不透水地基均质土堤渗流计算简图

计算公式为：

(1)

式中：q为单位宽度渗流量，m3/s·m；K为堤身渗透系数，m/s；H1为上游水位；H2为下游水位；h0为下游出逸点高度；m1为上游坡率；m2为下游坡率。

堤身平均比降：

(2)

出逸点比降：

(3)

透水地基均质土堤渗流按下式计算。计算简图见图2。

图2 透水地基均质土堤渗流计算简图

(4)

式中：qD为不透水地基上求得的相同排水型式的均质土堤单位宽度渗流量，m3/s·m；K0为堤基渗透系数，m/s；H1为上游水位；H2为下游水位；h0为下游出逸点高度；T为堤基厚度；m1为下游坡率；m2为上游坡率。

出逸点比降：

(5)

堤体和堤基土体物理力学指标设计值根据工程地质勘察和土工试验结果经分析后采用，堤防背水坡设计水位采用堤脚地面高程[4]。

经计算分析，堤坡渗流出口的出逸比降不满足渗透稳定要求，对于砂堤需要采取工程措施，砂堤渗控结合砂基、双层地基渗控措施，采用压渗或盖重措施，以满足堤身的渗透稳定。渗流计算成果见表2。

2 堤身抗滑稳定分析

上、下游堤坡抗滑稳定分析采用瑞典圆弧法，针对土基土堤、砂基土堤、混合堤双层地基3种情况计算。各堤段分别根据工程地质勘探和土工试验结果，结合地形条件、堤防险工弱段、堤身结构、堤身高度和填筑材料等，选取典型进行计算[5]。边坡稳定计算简图见图3。

表2 典型断面渗流计算成果表

图3边坡稳定计算简图

2.1 稳定计算公式

1)施工期抗滑稳定安全系数可按下式计算：

(6)

2)水位降落期抗滑稳定安全系数可按下式计算：

(7)

3)稳定渗流期抗滑稳定安全系数可按下式计算：

(8)

式中：b为条块宽度，m；W为条块重力，W=W1+W2γWZbkN；W1为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为堤坡外水位高出条块底面中点的距离，m；u为稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙压力，kPa；ui为水位降落前堤身的孔隙压力，kPa；β为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°；γW为水的重度，kN/m3；Cu,φu,Ccuφcu,C′,φ′为土的抗剪强度指标，kN/m3，°。

2.2 抗滑稳定安全系数

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)的有关规定，正常运用条件，2级、3级堤防的抗滑稳定安全系数允许值分别为1.25、1.20；非正常运用条件I，2级、3级堤防的抗滑稳定安全系数允许值分别为1.15、1.10、1.05和1.05。

2.3 计算指标及结果

堤身抗滑稳定分析计算采用北京水利水电科学研究院编制的STAB软件进行计算，计算指标及结果详见表3。

根据边坡稳定计算结果可知，堤防抗滑稳定安全系数在不同工况下均大于规范要求的允许值，堤防边坡稳定满足要求，堤坡设计合理。