堤防工程邊坡穩(wěn)定性分析及應(yīng)用

邱任華

（江西省南昌縣長(zhǎng)樂聯(lián)圩河道堤防管理站）

0 引言

邊坡失穩(wěn)為日積月累發(fā)生的問題，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行維護(hù)需做到未雨綢繆。而且邊坡失穩(wěn)為多類因素導(dǎo)致產(chǎn)生，不一樣因素需有相關(guān)解決措施。除相應(yīng)工作人員依據(jù)規(guī)定對(duì)于邊坡的例行安檢以外，還需要對(duì)于不一樣失穩(wěn)問題有針對(duì)性應(yīng)對(duì)方案。不然邊坡失穩(wěn)會(huì)使得堤防工程發(fā)生損壞，帶來嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，有的還會(huì)導(dǎo)致人員傷亡問題發(fā)生。因此對(duì)于堤防邊坡的穩(wěn)定性研究分析是極為關(guān)鍵的。

1 穩(wěn)定性導(dǎo)致破壞型式

第一，在堤防邊坡建造的時(shí)候，所采用的材料是砂料和細(xì)砂等時(shí)，通常會(huì)造成失穩(wěn)問題發(fā)生，是由于飽和砂料于一些狀況之下其體積將變小，會(huì)導(dǎo)致孔隙間水無法在短時(shí)間內(nèi)流出去，而且其中有效應(yīng)力會(huì)變?yōu)榭紫秹毫?，這個(gè)時(shí)候砂料抗剪強(qiáng)度下降就會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)問題發(fā)生。液化將會(huì)于短時(shí)間之內(nèi)飛快出現(xiàn)，就像是自然災(zāi)害以及發(fā)生爆炸情況之下出現(xiàn)。

第二，塑性流動(dòng)一般是發(fā)生于壩基與軟粘土壩中，指的是在土料抗剪強(qiáng)度比剪應(yīng)力大或是邊坡變形程度比較大時(shí)，壩坡還有壩腳的地基土無法承受巨大荷重而導(dǎo)致沉陷問題或是有裂縫等多種問題發(fā)生。

第三，在邊坡角度過陡或是所運(yùn)用土料的抗剪強(qiáng)度極小時(shí)，將會(huì)有滑面以外土壤滑動(dòng)發(fā)生，從而產(chǎn)生坍塌問題。在壩基土壤的抗剪強(qiáng)度較小時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致壩基與壩體同時(shí)有滑坡問題出現(xiàn)。假如存在軟弱層情況之下，通常就會(huì)在這個(gè)層上出現(xiàn)。

2 邊坡穩(wěn)定的分析措施

2.1 極限平衡的理論

通常所運(yùn)用邊坡穩(wěn)定性剖析措施為極限平衡方式。極限平衡方式由于原理容易理解，且計(jì)算方法是較為簡(jiǎn)單的，因此于堤防工程的穩(wěn)定性剖析當(dāng)中得到廣泛運(yùn)用。這類理論原理為首先假設(shè)存在某滑裂面有不穩(wěn)定問題發(fā)生，經(jīng)靜力平衡條件以及摩爾-庫(kù)侖的破壞準(zhǔn)則對(duì)有可能出現(xiàn)滑動(dòng)機(jī)率的大小進(jìn)行計(jì)算，利用相同措施對(duì)于隨機(jī)選取的滑動(dòng)面進(jìn)行分析。并對(duì)不一樣滑動(dòng)面的失穩(wěn)概率或安全系數(shù)大小進(jìn)行研究，最終選取安全系數(shù)較小或失穩(wěn)概率極大的，為最有可能有不穩(wěn)定性滑動(dòng)面發(fā)生的。這類分析措施為瑞典K.E.Pettersson等學(xué)者分析研究得到，于Fellenius等多個(gè)學(xué)者進(jìn)行改良以后發(fā)展得到成熟分析措施。于眾多堤壩項(xiàng)目建筑進(jìn)程當(dāng)中，這類措施運(yùn)用率較高且效果是比較好的。

2.2 塑性極限剖析

塑性極限剖析措施為Drucker 等學(xué)者于1952 年所提出。這個(gè)措施最為突出方面為把材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系列進(jìn)剖析范圍之中。把極限條件以下外荷重還有自重做功和滑裂面以上阻力消耗功相同作為條件，而且和塑性極限剖析中上、下限定理來求邊坡極限的荷載與安全系數(shù)。塑性極限剖析并不是與全部狀況相適應(yīng)，由于應(yīng)用這個(gè)理論實(shí)施剖析的時(shí)候假設(shè)條件與真正斜坡巖土體彈塑性間將會(huì)有不同問題發(fā)生，所以于一些項(xiàng)目當(dāng)中運(yùn)用這類措施會(huì)造成誤差比較大的問題出現(xiàn)。因此塑性極限剖析措施還需得到進(jìn)一步完備。

2.3 有限單元措施

塑性極限剖析以及模糊極值的理論把土體是完全塑性的時(shí)候應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系給考慮進(jìn)剖析當(dāng)中，不過沒有對(duì)于現(xiàn)實(shí)非線性聯(lián)系實(shí)施考慮，而且沒有對(duì)于變形以及穩(wěn)定性間的聯(lián)系實(shí)施剖析。不過有限單元措施可以把非線性的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行考慮，把各個(gè)單元變形以及應(yīng)力計(jì)算出來，再經(jīng)過其強(qiáng)度指標(biāo)大小找尋失穩(wěn)地區(qū)與失穩(wěn)范圍情況，經(jīng)過整體與部分破壞結(jié)合方式，來找到有邊坡不穩(wěn)定發(fā)生的位置，最終經(jīng)過力平衡關(guān)系來對(duì)堤防邊坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。

3 擋土墻工程

岸坡整治主要措施為護(hù)岸和護(hù)坡，新建漿砌塊石擋墻固腳17.20 km，塊石固腳0.71 km，干砌石護(hù)坡0.31 km，混凝土空心預(yù)制塊植草護(hù)坡84542.40 m2，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。

3.1 擋土墻設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)擋墻均采用漿砌塊石擋墻，設(shè)計(jì)級(jí)別按5 級(jí)，其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、取材容易、施工方便，有良好的抗沖刷能力。其擋墻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。

圖1 漿砌塊石擋墻結(jié)構(gòu)示意圖

擋墻由C15混凝土加塊石現(xiàn)澆而成，墻頂寬50 cm，面坡豎直，背坡坡度為1∶0.40，墻趾高60 cm，每隔10 m 設(shè)置伸縮縫和沉降縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)填塞聚乙烯泡沫板或三油二氈，擋土墻每5 m 設(shè)置排水孔，排水孔為Φ50 的PVC 管，排水孔進(jìn)口碎石外包土工布，并鋪設(shè)50 cm×50 cm×50 cm 碎石反濾層，擋墻基底鋪設(shè)厚10 cm C15混凝土墊層。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算：

式中： Kc—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣW—作用于墻體上的全部垂直力的總和（kN）；ΣP—作用于墻體上的全部水平力的總和（kN）；f—底板與堤基之間的摩擦系數(shù)。

抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算：

式中：Ko—抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣMV—抗傾覆力矩（kN·m）；ΣMH—傾覆力矩（kN·m）。

基底應(yīng)力計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，在河槽內(nèi)無水，墻后為飽和填土的最不利工況下，典型斷面混凝土擋墻的抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、基底應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 計(jì)算成果表

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL379-2007）要求Kc≥1.20，Ko≥1.40，計(jì)算結(jié)果滿足要求，地基允許承載力220 kN/m2，滿足要求。

按《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50707-2011）附錄B.2 沖刷深度公式計(jì)算，沖刷深度最大值為砂卵石層以下0.47～0.59 m，結(jié)合地勘建議的持力層和滿足沖刷深度要求，本次設(shè)計(jì)擋墻基礎(chǔ)埋深至砂卵石層以下0.60 m。

3.2 混凝土空心預(yù)制塊草皮護(hù)坡

工程護(hù)坡采用型式混凝土空心預(yù)制塊草皮護(hù)坡，預(yù)制塊采用空心六角塊，厚20 cm，C20混凝土澆筑，詳見圖2。

護(hù)坡起（止）端、底部設(shè)現(xiàn)澆混凝土齒槽封邊，頂部設(shè)混凝土壓頂；預(yù)制混凝土護(hù)坡下鋪筑一層砂卵石墊層。磚的空心部分回填適宜植物生長(zhǎng)的黏性土，再種植草皮。植被應(yīng)選用適宜當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的草皮，鋪種前對(duì)岸坡基面清理平整、平順，坑、溝應(yīng)回填密實(shí)。岸坡根據(jù)實(shí)際地形整坡，坡比不陡于1∶2。鋪植應(yīng)保證草皮厚度≥3 cm，后期應(yīng)澆水、養(yǎng)護(hù)，保證草皮成活率。

4 探究課題提議

堤壩工程為多點(diǎn)面的工程，由于堤防受到地質(zhì)方面、歷史以及洪水等多個(gè)因素作用，導(dǎo)致堤防損壞原因類型是非常多的，其中的堤防邊坡塌陷問題為堤防加固項(xiàng)目當(dāng)中看到最多的類型，對(duì)之前所發(fā)生險(xiǎn)情以及當(dāng)前堤防的樣子進(jìn)行總結(jié)，對(duì)堤防邊坡的穩(wěn)定性實(shí)施分析。不一樣邊坡穩(wěn)定的解析措施對(duì)堤坡平穩(wěn)性進(jìn)行不同解釋，而且獲得了量化指標(biāo)，并有針對(duì)性提出相應(yīng)加固措施，對(duì)于加固措施進(jìn)行驗(yàn)證是能夠應(yīng)用的。長(zhǎng)時(shí)間來，假設(shè)條分法以及滑動(dòng)面一直均為利用極限平衡當(dāng)做基礎(chǔ)邊坡平穩(wěn)分析措施的根本思路以及前提條件，這種解析措施取得非常大的成就，于邊坡穩(wěn)定的解析當(dāng)中發(fā)揮著極為關(guān)鍵的影響。這種解析措施沒有對(duì)材料應(yīng)力以及應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行思考，計(jì)算得到安全系數(shù)僅僅為滑裂面可以安全時(shí)平均數(shù)，獲得滑條條間力與底面反力也并不是變形進(jìn)程當(dāng)中真正存有的。

圖2 空心預(yù)制塊大樣圖

5 堤坡強(qiáng)化牢固措施的選取

查到堤坡失穩(wěn)關(guān)鍵的原因?yàn)榈唐鲁U(xiǎn)加固的關(guān)鍵流程。查明事故所出現(xiàn)的因素之后，采取對(duì)應(yīng)項(xiàng)目方式對(duì)于病險(xiǎn)位置實(shí)施加固處理，采取加厚加高，使堤防密實(shí)度提升方式，或蓋重等多種措施使得防止堤身與堤基滲透損壞水平提升。除險(xiǎn)加固措施制定之前應(yīng)當(dāng)依據(jù)前面說到的邊坡失穩(wěn)分類措施，來對(duì)滑坡實(shí)施分析以及滑坡種類判定。除此之外，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)查看滑坡表面為什么情況，上面裂痕長(zhǎng)度，滑坡縫隙特征，下挫高度，還有裂縫的寬度與深度。最后判別出滑坡為底層處的滑動(dòng)還是范圍滑動(dòng)。

6 結(jié)語

堤防工程穩(wěn)定性以及安全性于建造進(jìn)程當(dāng)中遭受了多種不一樣原因的作用。文章關(guān)鍵是對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性所帶來影響型式當(dāng)做切入點(diǎn)，對(duì)于影響穩(wěn)定性原因進(jìn)行分析，對(duì)于幾類邊坡穩(wěn)定性分析措施在不一樣層面的利弊進(jìn)行研究，簡(jiǎn)單地闡述相應(yīng)方法的運(yùn)用。望對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性研究分析有一些幫助。