堤防改建工程的穩(wěn)定性分析

湯萬龍，楊 玲，張 浩，馮克義

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048）

1 工程概況

藺溝河左岸堤防位于北京溫榆河沖積平原區(qū)，屬于溫榆河河流泛濫區(qū)。堤防為2級(jí)堤防，長(zhǎng)約1174m，現(xiàn)狀為土路面，現(xiàn)狀堤頂高程30.97m～32.75m。經(jīng)水面線分析計(jì)算，現(xiàn)狀大部分堤防頂高程不滿足50年一遇洪水加安全超高設(shè)防。為確保防洪安全，對(duì)現(xiàn)狀堤防進(jìn)行加高修筑，設(shè)計(jì)堤頂高程32.72m，堤頂加寬修建巡河路，路寬7m。

1.1 地質(zhì)條件

加高筑堤段的地層巖性按沉積年代、成因類型自上而下可分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀(jì)沉積層。

人工堆積層：①層粘質(zhì)粉土-砂質(zhì)粉土填土，層頂標(biāo)高為28.98～32.75m，層厚為0.40～5.70m。

新近沉積層：②層細(xì)砂-中粗砂，層頂標(biāo)高為24.85～30.70m，層厚為1.0～4.30m。

第四紀(jì)沉積層：③層粉質(zhì)粘土，層頂標(biāo)高為22.24～28.40m，層厚為0.40～4.50m。

各層分布情況縱斷見圖1。

勘測(cè)結(jié)果表明，②層細(xì)砂-中粗砂屬對(duì)抗震不利地段。因此現(xiàn)狀堤防加高及加寬對(duì)堤防邊坡的穩(wěn)定可靠度評(píng)估成為工程設(shè)計(jì)必須考慮的問題。

1.2 水位及抗震設(shè)防

工程區(qū)地下水位埋深1.7～6.0m，水位標(biāo)高26.00m～30.32m，藺溝正常蓄水位29.00m，50年一遇洪水位32.22m。土層地下水屬潛水，補(bǔ)給來源主要為大氣降水、側(cè)向徑流及河水滲漏補(bǔ)給。場(chǎng)區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g。

地下水位的升降會(huì)引起孔隙水壓力變化，破壞土體的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。在粉細(xì)砂及粉土為主的斜坡，水位上升會(huì)使砂土產(chǎn)生流砂、管涌現(xiàn)象。地震時(shí)有可能使砂土液化，降低邊坡的自穩(wěn)能力。

大量邊坡失穩(wěn)原因分析表明，幾乎所有的崩塌、滑坡都與水有關(guān)，特別是地下水的存在及變化往往是邊坡失穩(wěn)的主要條件。因此，進(jìn)行堤防邊坡穩(wěn)定可靠性評(píng)估計(jì)算，應(yīng)重視水位升降變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 穩(wěn)定性分析

堤防穩(wěn)定定量分析是堤防工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù)。對(duì)堤防邊坡穩(wěn)定的可靠性分析主要是尋找最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，工程實(shí)踐中基本上是采用極限平衡法。除極限平衡法外，目前應(yīng)用的基本計(jì)算方法和理論還有隨機(jī)有限元法等[1]。隨機(jī)有限元法計(jì)算精度高，且可以考慮不同土體的變異性及參數(shù)的相關(guān)性，但計(jì)算過程繁復(fù)、費(fèi)時(shí)，不利于工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)邊坡或復(fù)核邊坡穩(wěn)定可靠度中采用。經(jīng)典分析方法計(jì)算有比較明確的極限狀態(tài)，可操作性強(qiáng)，有利于工程實(shí)際應(yīng)用。因此，采用經(jīng)典極限平衡法進(jìn)行堤防邊坡穩(wěn)定分析評(píng)估。

經(jīng)典極限平衡法一般步驟是先假定土體沿某一滑動(dòng)面滑動(dòng)，根據(jù)滑動(dòng)土體的靜力平衡條件和破壞準(zhǔn)則如莫爾-庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）準(zhǔn)則計(jì)算沿該滑動(dòng)面滑動(dòng)的可能性，即安全系數(shù)。然后再假定若干可能的滑動(dòng)面，用同樣方法計(jì)算安全穩(wěn)定系數(shù)，并從中找出最小值，以此代表土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)[2][3]。

2.1 極限平衡法原理

極限平衡條分法最早由瑞典人彼德森在1916年提出。認(rèn)為土體沿圓弧形滑裂面滑動(dòng)，并將土體劃分為多個(gè)垂直條塊，如圖2。在計(jì)算過程中不考慮土條間的作用力，定義穩(wěn)定安全系數(shù)為滑裂面上全部抗滑力矩與滑動(dòng)力矩之比。

在以后的若干年中，許多學(xué)者對(duì)極限平衡條分法進(jìn)行了不同的改進(jìn)，出現(xiàn)了一系列簡(jiǎn)化計(jì)算方法，如瑞典條分法（Swedish）、畢肖普法（Bishop）、簡(jiǎn)布法（Janbu）、摩根斯坦-普賴斯法（Morgenstern-Price）等，各種簡(jiǎn)化方法及其局限性分析見參考文獻(xiàn)[5]。經(jīng)典分析方法瑞典圓弧滑動(dòng)法計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的公式如下：

（1）水位降落期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（總應(yīng)力法）：

（2）穩(wěn)定滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（有效應(yīng)力法）：

式中，

b—條塊寬度 (m)；

W—條塊重力，W=W1+W2+ρwZb(kN)；

W1—在堤坡外水位以上的條塊重力 (kN)；

W2—在堤坡外水位以下的條塊重力 (kN)；

Z—堤坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離 (m)；

u—穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力 (kPa)；

ui—水位降落前堤身的孔隙壓力 (kPa)；

β—條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角 (度)；

γw—水的重度 (kN/m3)；

Ccu,φcu , C',φ',—穩(wěn)定滲流期，水位降落期土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) (kN/m3，度)。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)地層巖性分布，選?、趯蛹?xì)砂-中粗砂分布較深的兩個(gè)地層斷面作為典型斷面分別計(jì)算堤坡的安全系數(shù)，斷面地層巖性分布見圖3、圖4。

土堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算分為正常和非常兩種情況。

（1）正常情況穩(wěn)定計(jì)算：

工況一：設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期，背水側(cè)堤坡；

工況二：設(shè)計(jì)洪水位驟降至堤坡腳處，臨水側(cè)堤坡；

（2）非常情況穩(wěn)定計(jì)算：

工況三：正常蓄水位遭遇8度地震的臨水、背水側(cè)堤坡。

堤坡臨水側(cè)設(shè)計(jì)坡比為1:3，背水側(cè)設(shè)計(jì)坡比為1:2。堤身地層巖性及土的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。計(jì)算時(shí)，地層物理參數(shù)根據(jù)不同地層巖性選取。

2.3 求解

手工計(jì)算最危險(xiǎn)滑動(dòng)面穩(wěn)定安全系數(shù)過程復(fù)雜，且精準(zhǔn)度難以保證，技術(shù)的進(jìn)步借助計(jì)算機(jī)處理效率高且精度高。GEO-SLOPE/W軟件的分析模塊能對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算進(jìn)行可靠分析并有其獨(dú)特的優(yōu)越性[6]。

表1 堤身地層巖性及土的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

利用GeoStudio SLOPE/W邊坡分析軟件構(gòu)建計(jì)算模型，分別采用瑞典條分法，畢肖普法，簡(jiǎn)布法及摩根斯坦-普賴斯法求解兩個(gè)典型斷面最危險(xiǎn)滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)果見表2，表3。

表2 斷面一邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3 斷面二邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)果分析

《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-98）規(guī)定2級(jí)堤防正常運(yùn)用工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25，非常運(yùn)用工況為1.15。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，正常運(yùn)用工況下斷面一及斷面二抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.39（斷面一工況二臨水側(cè)堤坡，瑞典條分法）。因此，評(píng)定正常運(yùn)用工況斷面一及斷面二抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。在非常運(yùn)用工況下，斷面一臨水側(cè)瑞典條分法（0.947），畢肖普法（1.084），簡(jiǎn)布法（0.990），摩根斯坦-普賴斯法（1.104）計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定的1.15；斷面二臨水側(cè)瑞典條分法（1.088），簡(jiǎn)布法（1.108）計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范規(guī)定的1.15。據(jù)此評(píng)定地震條件下臨水側(cè)堤坡易失穩(wěn)。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)堤防加高改建斷面設(shè)計(jì)參數(shù)及地層巖性參數(shù)，正常運(yùn)用工況堤防抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，非常運(yùn)用工況臨水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。

（2）由于②層細(xì)砂-中粗砂沒有凝聚力，在振動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)容易破壞，強(qiáng)度降低，最不利的情況下發(fā)生“液化”，容易產(chǎn)生流土。為確保堤防安全穩(wěn)定，建議通過加固措施如注漿法、水泥土攪拌法、混凝土防滲墻法等對(duì)臨水側(cè)堤岸進(jìn)行處理，以確保堤防邊坡穩(wěn)定。

[1]張俊芝, 鄒傳仁. 服役堤壩邊坡穩(wěn)定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的可靠度分析[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2007, (10): 54-57.

[2]GB 50286-98. 堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]錢家歡. 土力學(xué)[M]. 江蘇: 河海大學(xué)出版社, 1988.

[4]John Krahn. Stability Modeling With SLOPE/W [M]. Canada:GEO-SLOPE/W International Ltd, May 2004: 37-79.

[5]陳祖裕. 土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2003.

[6]鄭濤, 張玉燈, 毛新生. 基于Geo-Slope軟件的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2008, 6(1): 6-8.