高填土防洪堤設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定分析問題探討

向遠(yuǎn)

【摘要】在地形較低的城市堤防中，擋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，常選擇防洪墻式堤型作為擋水結(jié)構(gòu)。而當(dāng)?shù)虄?nèi)填土按堤路結(jié)合設(shè)計(jì)時(shí)，則形成高填土防洪堤。高填土對(duì)于防洪堤的穩(wěn)定既存在擋水有利的一面，又存在退水不利的一面，另外，高填土防洪堤亦帶來堤岸穩(wěn)定的問題。近年來，通過高填土防洪堤的設(shè)計(jì)，對(duì)施行了高填土防洪堤設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定分析問題進(jìn)行探討。本文以梧州市河?xùn)|防洪工程西江段和廣西梧州市河西防洪堤工程為例，總結(jié)了高填土防洪堤設(shè)計(jì)中穩(wěn)定分析成果。

【關(guān)鍵詞】高填土防洪堤設(shè)計(jì)；穩(wěn)定分析；問題探討

1、工程概況

梧州市河?xùn)|防洪堤全長(zhǎng)3.5km，第一期工程按10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)（相應(yīng)水位為25.35m），是保護(hù)梧州市河?xùn)|城區(qū)重要屏障。西江段是河?xùn)|防洪堤兩部分之一，堤長(zhǎng)1.8km，堤頂寬10.5m，堤防按防洪、交通、游覽等綜合利用考慮。防洪堤建于西江河岸灘上，堤線所經(jīng)過地面的高程在1994年以前為6-8m，1994年以后，人們?cè)诤影抖褩夒s填土，形成了高程為12～16m的河岸市場(chǎng)。

根據(jù)地質(zhì)勘探，防洪堤所處地層自上而下為：①雜填土層；②灰色壤土層；③壤土層；④圓礫層；⑤強(qiáng)風(fēng)化砂巖。雜填土層厚10-14m，結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)，滲透系數(shù)大多為1.86×10-2cm/s，部分地段則由于漏水量大而使注水試驗(yàn)無法獲得穩(wěn)定水頭，而且土粒級(jí)配極不均一，抗?jié)B比降為0.15-0.20。壤土層厚10～14m，為弱透水，砂壤土厚5、10m，為中等偏弱透水，一般可視為相對(duì)隔水層。防洪堤基礎(chǔ)防滲設(shè)計(jì)采用厚度為0.3m、深度為6-8m的水泥土防滲墻與堤后填土壓滲結(jié)合的措施。

2、擋洪水工況的防洪堤穩(wěn)定分析問題

2.1滲透穩(wěn)定問題

在防洪堤擋設(shè)計(jì)（校核）洪水時(shí)，通過對(duì)西江堤的滲透穩(wěn)定分析，確定防滲墻深度以及堤后填土的高度。按照（水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》D15077一197的附錄D中改進(jìn)阻力系數(shù)法，分析擋設(shè)計(jì)（校核）洪水時(shí)的堤基的滲透水頭，在防滲墻深度一定的情況下，堤后填土的高度是決定滲透穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。在河?xùn)|防洪工程西江堤設(shè)計(jì)中，當(dāng)?shù)毯筇钔撂钪?0m高程，高度達(dá)12m時(shí)，地面處設(shè)計(jì)（校核）滲透坡降為0.11（0.128），均小于雜填土抗?jié)B比降為0.15～0.20，說明在擋設(shè)計(jì)（校核）洪水時(shí)，防洪堤堤后填土逸出點(diǎn)滿足滲透穩(wěn)定要求。

2.2被動(dòng)土壓力選擇問題

《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》DL5077一197中規(guī)定了主動(dòng)土壓力和靜止土壓力的計(jì)算方法，被動(dòng)土壓力則認(rèn)為對(duì)建筑物有利，因此，水工建筑物設(shè)計(jì)一般不予考慮，而將它作為安全儲(chǔ)備。但是，在防洪堤擋設(shè)計(jì)（校核）洪水工況下，防洪堤的穩(wěn)定是靠堤后填土形成被動(dòng)土壓力維持的。根據(jù)滲透分析和防洪堤受力分析，在防洪堤擋設(shè)計(jì)（校核）洪水工況下，堤后水平力合力等于水壓力+取浮容重計(jì)算的被動(dòng)土壓力，或等于取濕容重計(jì)算的被動(dòng)土壓力。設(shè)計(jì)時(shí)，取兩者小值計(jì)算，以利工程安全。

2.3退水工況的防洪堤穩(wěn)定分析問題

2.3.1堤內(nèi)水壓力高度的確定

防洪墻設(shè)計(jì)與公路擋土墻在構(gòu)造上的區(qū)別之一，是在防洪墻體上不設(shè)排水孔。因此，在退水工況下，堤后滲水消失的速度較堤外洪水退水慢，由此而形成在防洪墻體上產(chǎn)生向外江作用的水壓力和在堤基產(chǎn)生向外江的滲透水壓力。在梧州市河?xùn)|堤西江堤設(shè)計(jì)中，將在防洪堤擋設(shè)計(jì)（校核）洪水時(shí)，滿足滲透穩(wěn)定要求的逸出點(diǎn)，作為堤內(nèi)水壓力的零點(diǎn)，即逸出點(diǎn)為平地面高程20.0m。

2.3.2作用于防洪墻體上水平力選擇問題

由防洪墻體受力分析可知，在洪水退水工況下，外江水壓力消失，而堤內(nèi)水壓力、土壓力增大。堤后水平力合力等于水壓力十取浮容重計(jì)算的主動(dòng)土壓力，或等于取飽和容重計(jì)算的主動(dòng)土壓力。在梧州市河?xùn)|防洪工程西江堤設(shè)計(jì)時(shí)，取兩者間較大值，作為堤后水平力受力組合作用于防洪墻體上，以利工程安全。

2.3.3堤外退水高度的確定

梧州市河?xùn)|堤西江堤設(shè)計(jì)擋10年一遇洪水水位為25.35m，西江枯水位為6-8m，洪水漲落變幅達(dá)17.35-19.35m。西江水位退至堤基以下，則堤基揚(yáng)壓力中僅有滲透水壓力，但西江水位退至堤基以上時(shí)，則堤基揚(yáng)壓力中有滲透水壓力和浮托力，而且滲透水壓力和浮托力的大小是隨著西江水位變化而改變。因此.在梧州市河?xùn)|堤西江堤設(shè)計(jì)時(shí)，在堤基8.om高程基礎(chǔ)上，西江水位按8.5、9、9.5、10、10.5m等，每增加0.5m，就計(jì)算防洪堤的穩(wěn)定安全系數(shù)，繪制水深與抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系圖，求得防洪堤最小的穩(wěn)定安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的水深值，即為堤外退水高度。經(jīng)計(jì)算，在堤基上有1.25m水頭時(shí)，防洪堤的穩(wěn)定安全系數(shù)最小。

3、高填土防洪提的堤岸穩(wěn)定分析

梧州市河西得江段防洪堤西起梧州西江橋，東至文瀾路口，全長(zhǎng)4.465km，其中木材廠至文瀾路口段長(zhǎng)3.5km，是作為保護(hù)梧州市政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心的河西區(qū)的屏障。按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的河西得江段防洪堤，是在上世紀(jì)80年代西堤路擋土墻基礎(chǔ)上，采用空箱結(jié)構(gòu)加高、加固，形成現(xiàn)狀的空箱和擋土墻共同擋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水的重力空箱式結(jié)構(gòu)堤。目前，該段河岸地形基本分兩級(jí)，一級(jí)邊坡5-17m高程，坡比：1.8-1：2.5，二級(jí)邊坡17-23m高程，坡比1：1.8-1：2.7，西堤路擋土墻建于岸坡頂，路面高程25-26m高程，由此而形成堤岸高差約20m的堤岸穩(wěn)定問題-。由于公路擋土墻堤基及墻身存在滲水問題，不滿足堤內(nèi)防滲要求。防滲方案一為在堤內(nèi)填土壓滲；防滲方案二則是在原擋土墻身設(shè)防滲面板和堤基設(shè)防滲帷幕。

4、結(jié)語(yǔ)

高填土防洪堤具有在汛期擋高洪水和退水、枯水期擋高填土的特點(diǎn)，因此，選擇最優(yōu)堤后填土高度，即可使洪水期滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，亦可使退水或枯水期主動(dòng)土壓力最小，以達(dá)到設(shè)計(jì)的防洪墻截面最小的目的。同時(shí)，堤岸穩(wěn)定問題亦是高填土防洪堤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]高曉琴，姜姜，張金池.生態(tài)河道研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，32（1）：103-106.

[2]王英華，王玉強(qiáng)，秦鵬.淺析新農(nóng)村河道生態(tài)護(hù)岸型式及選用[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2010，（3）：102-104.