黃河下游標準化堤防工程堤頂寬度設計

盧芳芳，陳榮稅

（1．鄭州市尖崗水庫管理處，河南鄭州450003；2.南陽水文水資源勘測局，河南南陽473000）

黃河下游標準化堤防工程堤頂寬度設計

盧芳芳1，陳榮稅2

（1．鄭州市尖崗水庫管理處，河南鄭州450003；2.南陽水文水資源勘測局，河南南陽473000）

充分考慮黃河堤防土體參數(shù)隨機變異性的基礎上，基于非飽和滲流理論及黃河下游堤防滲透、強度的隨機性試驗研究成果，采用GEO-STUDIO軟件與自編Fortran程序，應用邊坡穩(wěn)定隨機分析理論建立堤頂寬度分析方法，計算與評價邊坡穩(wěn)定安全區(qū)域分布范圍，據(jù)此提出黃河堤防堤頂寬度設計應大于12 m。

堤防工程；堤頂寬度設計；黃河下游；標準化堤防

0 引言

近年來汛期，黃河下游堤防工程出現(xiàn)了不同程度的滲水險情。險情的發(fā)展具有隨機性，從發(fā)現(xiàn)險情到開始搶護需要一定時間。堤頂寬度必須具有一定的寬度，以便于抗御設計標準的洪水，除滿足堤身穩(wěn)定要求外，還應滿足防汛搶險交通、工程機械化搶險及工程正常運行管理的需要。因此，為保證堤防安全，需要合理設計堤防工程堤頂寬度。

1 計算工況、斷面及參數(shù)的選取

1.1 計算工況

根據(jù)GB50286-98《堤防工程設計規(guī)范》條文說明第8.2.2條規(guī)定中對堤防穩(wěn)定計算的要求，結合黃河下游堤坡穩(wěn)定的實際情況，計算擬先選取黃河下游堤防的平工、險工、老口門段具有代表性的6個斷面，采用GEO-STUDIO軟件中的SEEP及SLOPE模塊計算設計洪水位驟降期的臨水側堤坡的穩(wěn)定性，模擬水位驟降的滲流過程，搜索不同堤頂寬度的最危險滑弧面，利用可靠度理論的蒙特卡羅法得出臨河堤頂不同部位的失效概率，結合相關的評判標準，確定堤頂穩(wěn)定范圍。

1.2 計算斷面及參數(shù)

1）計算斷面選取。為充分論證影響黃河大堤臨河堤坡穩(wěn)定堤頂寬度范圍，根據(jù)計算斷面的選取原則，選擇以下典型斷面進行下一步的計算分析。①險工段：山東齊河程官莊險工董家寺79+ 850斷面、河南新鄉(xiāng)原陽139+700斷面；②平工段：河南段的武陟張菜園87+000斷面、新鄉(xiāng)封丘167+ 200斷面、山東段濟南章丘83+500斷面；③口門段：章丘興國寺70+600斷面。計算模型斷面幾何尺寸參數(shù)具體見表1。

2）臨河沖坑深度及堤頂最大荷載的概化參數(shù)選取。堤防臨河堤腳處由于歷次洪水的沖刷普遍具有沖坑，沖坑的深淺主要隨水流的垂線平均流速、水流與堤岸軸線的夾角變化較大，可采用阿爾圖寧公式計算：

式中：△h為局部沖刷深度，m；V為行進水流的垂線平均流速，m/s，為安全計，可取歷史上實測最大值；m為水流穩(wěn)定后邊坡系數(shù)，一般取2；為水流與堤防軸線的夾角，°。

3）模型計算參數(shù)選取。黃河大堤土體可分為粘土、壤土、砂壤土、粉土、粉砂、細砂、砂土七類土，各類土體滲流計算參數(shù)根據(jù)黃科院沈細中、趙壽剛、蘭雁等的研究成果選取。

表1 計算斷面幾何尺寸參數(shù)

2 堤坡失穩(wěn)風險概率判別標準

失效概率是評價結構可靠性的尺度，黃河大堤邊坡的允許失效概率如何確定，目前還沒有一個針對性的明確標準。黃河大堤堤身土體組成主要以砂壤土、壤土為主，砂性含量較高，洪水期水位驟降時破壞大部分以沿堤坡或堤頂滑塌形式發(fā)生，參照GB50199-94《水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》、GB50286-98《堤防工程設計標準》和以往黃河水利科學研究院對黃河大堤研究成果，認為不同大堤斷面模型風險評判要求是有差異的。因此，根據(jù)堤防概化模型斷面風險度要求不同，提出以下堤坡失穩(wěn)概率判別標準：

1）對于無沖坑、荷載一般斷面。失效概率值小于0.1%，則風險度較低，如大于0.1%失效風險度較高。

2）對于有沖坑、荷載特殊斷面。失效概率值小于5%，則堤坡失穩(wěn)的風險度較低，如大于5%堤坡失穩(wěn)的風險度較高。

3 計算模型及成果

3.1 邊坡穩(wěn)定計算模型

臨河堤坡穩(wěn)定計算根據(jù)規(guī)范采用瑞典弧滑動法，為保證可靠度計算精度，抽樣數(shù)即計算次數(shù)取10萬次。

3.2 計算成果

以新鄉(xiāng)封丘167+200斷面為例，基于蒙特卡羅法計算堤頂不同寬度失效概率成果如圖1。

圖1 新鄉(xiāng)封丘167+200斷面距臨河堤頂起點1.2 m寬度堤坡失效概率分布圖

4 臨河堤坡失穩(wěn)區(qū)域分析

臨河堤坡失穩(wěn)區(qū)域是在堤頂不同位置失效概率計算成果的基礎上，依據(jù)堤坡穩(wěn)定分析可靠性原理與前述實施方法中提出的判別標準確定的。無沖坑、荷載斷面，以0.1%為允許失效概率，失效概率大于0.1%為失穩(wěn)區(qū)域，反之為相對穩(wěn)定區(qū)域；有沖坑、荷載斷面，以5%為允許失效概率，失效概率大于5%為失穩(wěn)區(qū)域，反之為相對穩(wěn)定區(qū)域。各斷面無沖坑、荷載及有沖坑、荷載臨河堤坡在水位驟降時，堤坡失效概率隨堤頂不同寬度位置變化分布見圖2～3。

圖2 無沖坑、荷載計算斷面破壞概率分布圖

從所得圖表成果可見，無沖坑、荷載斷面，平工、險工、老口門不同位置斷面距臨河堤頂起點9.0～11.2 m之后失穩(wěn)風險很小，穩(wěn)定區(qū)域之前臨河堤坡出險幾率相對偏高；有沖坑及荷載斷面，平工、險工、老口門不同位置斷面距臨河堤頂起點10.0～12.0 m之后失穩(wěn)風險相對很小，穩(wěn)定區(qū)域之前臨

河堤坡出險幾率較高，最高可達33%。

由上述計算分析可得出如下結論：在水位驟降情況下，所設定臨河堤坡無沖坑及荷載情況下，對六斷面失穩(wěn)區(qū)域計算值統(tǒng)計，臨河堤頂前端9.0～11.0 m易出險，后端1.0～3.0 m仍具有一定的抵御洪水的功能；如設定堤坡臨河有沖坑、有荷載不利組合計算條件下，對6個斷面失穩(wěn)區(qū)域計算值統(tǒng)計，即使允許失效概率提高到5%，臨河側堤頂前端10.0～11.0 m仍易出險，后端1.0～2.0 m具有一定的抵御洪水的功能，但個別計算斷面堤頂寬度即使為12.0 m，斷面前端仍會產(chǎn)生脫坡或塌陷。因此，如汛期及洪水期臨河堤坡仍保證處于穩(wěn)定狀態(tài)，堤頂寬度應至少為12.0 m，由于各斷面地質情況復雜，具體設計指標應根據(jù)斷面所在位置及地層條件而確定。

5 結語

基于指標數(shù)據(jù)庫中的堤防及淤區(qū)土體力學參數(shù)概率統(tǒng)計指標，應用邊坡穩(wěn)定隨機性分析方法，計算與評價邊坡穩(wěn)定安全區(qū)域分布范圍，據(jù)此提出黃河堤防堤頂寬度設計應大于12 m。堤頂寬度合理設計能充分滿足黃河汛期防洪搶險的需要，確保黃河大堤充分發(fā)揮防洪保障線、搶險交通線、生態(tài)景觀線等重要功能，科學指導了黃河下游堤防工程的規(guī)劃與設計。

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