臨夏蓮花護岸除險加固工程穩(wěn)定性分析

趙 鵬

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450003）

0 堤防概況

臨夏縣蓮花護岸作為庫區(qū)移民賴以生存的生活、生產(chǎn)的生命線，是當?shù)匕傩丈a(chǎn)生活重要的安全保障。自修建以來，蓮花護岸幾經(jīng)除險加固，已運行二十余年，對保障蓮花鎮(zhèn)移民安全生產(chǎn)生活提供了重要保障。但近年來洪水災(zāi)害對護岸造成沖毀，且局部段護腳破損、護面沉陷等損毀嚴重，嚴重威脅到沿岸庫區(qū)移民生命財產(chǎn)安全，為防止水毀擴大保障美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，臨夏縣提出對蓮花護岸進行除險加固，該工程實施后使得劉家峽水電站庫區(qū)臨夏縣蓮花鎮(zhèn)護岸形成完整的防洪體系。

臨夏縣蓮花護岸除險加固工程位于臨夏縣東北部蓮花鎮(zhèn)境內(nèi)黃河劉家峽水電站水庫末端西南邊緣。臨夏縣蓮花護岸除險加固工程共計4.875 km，根據(jù)建設(shè)情況主要分四段，包括K0+000～K4+054.53（簸箕溝至關(guān)咀溝）段4.054 km，K4+054.53～K4+459.38（關(guān)咀溝至苜蓿懷溝）段0.405 km，K4+459.38～K4+625.41（苜蓿懷溝至大草溝）及K4+694.45～K4+841.96（大草溝至路壕溝）段0.314 km，K4+625.41～K4+694.45 及K4+841.96～K4+875.37（大草溝至路壕溝連接）段0.102 km。

1 工程地質(zhì)

護岸工程區(qū)地層巖性主要為第四系地層及新近系地層，主要有：1）第四系人工堆積層（Q4ml）：主要位于護岸岸坡、坡腳及護岸路。護岸路填土以粉土夾少量礫石為主。護岸岸坡及坡腳主要為混凝土及混凝土碎石等。2）第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)壤土層（①Q(mào)4al+pl）：為粉質(zhì)壤土，黃褐色，土質(zhì)較均勾，孔隙較發(fā)育，干～飽和。上部多呈稍濕狀，具搖振反應(yīng)，5 m以下多為半飽和至飽和狀態(tài)、流塑。局部沖溝低洼處發(fā)育淤積粉質(zhì)壤土層，為粉質(zhì)壤土，黃褐色，土質(zhì)均勻，粉粒為主，較松散。該層局部夾粘性土條帶或團塊，偶夾小礫石。3）第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)粘土層（②Q4al+pl）：褐紅色，多為可塑～硬塑狀，局部為軟塑，一般位于粉質(zhì)壤土層以下。厚度一般1m左右，一般以透鏡體發(fā)育。4）第四系全新統(tǒng)砂礫石層（③Q4al+pl）：雜色，磨圓度中等，次圓狀，粒徑以2 cm～8 cm 為主，充填物以中、粗砂為主，分選差，礫石含量約占60%～65%，—般呈中密至很密，局部夾有中、粗砂薄層。卵石層厚度一般為5 m～8 m，最大揭露厚度12.20 m。5）新近系臨夏組泥巖夾砂巖（④N）：棕紅色，產(chǎn)狀平緩，構(gòu)成庫岸基底地層，質(zhì)地較軟，物理力學強度指標較低。

護岸區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較簡單，新近系泥巖為本區(qū)良好的隔水層，含水層主要為第四系沖積含漂石砂卵礫石層，賦存型式以孔隙性潛水為主，其補給型式主要以大氣降水和田間灌溉回歸水及水庫庫水補給為主。勘察期內(nèi)地下水埋深一般0.33～7.90 m，地下水高程一般1 722.44～1 733.50 m。高水位主要分布于支溝處及附近。

護岸區(qū)內(nèi)水化學類型有HCO3-Mg·（Na+K）型、HCO3-Mg·Ca型、SO4·CL-（Na+K）·Mg 型。PH 值在7.48～8.60 之間，屬于弱堿性水，HSY03水樣SO42-、CL-含量高，該水樣為溝水，可能受上游生活用水排放或生活垃圾影響。由于環(huán)境水對混凝土、鋼筋混凝土中的鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)具有一定腐蝕性，建議采取相應(yīng)的防治措施。

護岸區(qū)內(nèi)無大型滑坡及塌滑體，主要發(fā)育黃土沖溝侵蝕及陡坎前緣淺表塌落，規(guī)模小，對工程無影響。臨夏區(qū)屬季節(jié)性凍土區(qū)，臨夏蓮花鎮(zhèn)凍土深度較厚，約為100 cm。在冬季現(xiàn)有堤防上部土層及混凝土面板可能發(fā)生凍脹破壞。

護岸主要工程地質(zhì)問題評價：①地震液化：護岸區(qū)內(nèi)可能液化地層為粉質(zhì)壤土層。本工程粉質(zhì)壤土粘粒含量10.60%－29.50%，平均粘粒含量16.50%，初判為可能液化地層，根據(jù)液性指數(shù)試驗指標，液性指數(shù)平均值為0.10，復(fù)判為不液化，綜合判斷該地層液化可能性小。②滲透變形：根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)程中關(guān)于土的滲透變形判別（附錄G），地基土地粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)粘土滲透變形為流土型；砂礫石層為管涌型。根據(jù)試驗成果，結(jié)合工程經(jīng)驗，粉質(zhì)壤土的允許水力比降建議值J允許=0.35-0.4，粉質(zhì)粘土的允許水力比降建議值J 允許=0.4-0.5；砂礫石層允許水力比降建議值J允許=0.1-0.15。③地基土沉降變形：據(jù)室內(nèi)試驗成果，粉質(zhì)壤土層及粉質(zhì)粘土壓縮系數(shù)多在0.1-0.4之間，多屬于中壓縮性土，土層分布整體較均勻，由于地基土體的壓縮模量局部有所差異，地基可能產(chǎn)生沉降變形，建議應(yīng)進行相應(yīng)的處理，在附加荷載較小的情況下，不會發(fā)生較大的沉降和不均勻沉降變形。④濕陷性：上部粉質(zhì)壤土為沖洪積黃土狀土，據(jù)室內(nèi)試驗成果，200 kPa壓力下濕陷系數(shù)為0.004-0.032 之間，濕陷系數(shù)大于0.015 主要位于上部3 m以上的原狀地層，故未擾動土上部3 m 一般具有濕陷性，建議對新建護岸段上部原狀地層進行相應(yīng)的工程處理。現(xiàn)狀護岸地層取樣濕陷系數(shù)小于0.015，不具濕陷性。⑤沖刷淘蝕：護岸土層主要為粉質(zhì)壤土，抗沖刷能力低。洪水期的沖刷淘刷，易引起堤基沖刷坑的形成，進而導(dǎo)致堤身的坍塌等問題。目前護岸工程主要為混凝土面板護岸和混凝土塊體護岸，臨水區(qū)有護腳，受庫水位變化影響，混凝土面板下部受沖刷淘蝕影響，以面板局部脫落，護腳變形及開裂表現(xiàn)為主。⑥庫岸穩(wěn)定性：新建護岸段為兩處支溝處，小樁號擬新建護岸支溝寬約16 m，高程1 730 m，兩岸臺階高程1 740 m～1 745 m，溝內(nèi)地形平緩，該支溝上部設(shè)有灌溉排水渠，灌溉水沿支溝下排；大樁號擬新建支溝寬約38 m，兩岸臺階高程1 736 m～1 742 m。距離現(xiàn)狀庫水位大于200 m，兩處支溝處兩岸近直立，巖性為粉質(zhì)壤土。劉家峽水庫正常蓄水位1 735 m，擬新建護岸處于水位變動區(qū)范圍，護巖巖性為粉質(zhì)壤土，抗沖刷淘蝕能力差，不防護情況下，易塌岸，有必要進行護岸防護。

2 護岸加固設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查情況，現(xiàn)狀破損嚴重段大部分集中于現(xiàn)澆混凝土板段，沖刷淘蝕造成護面破損，局部嚴重段落甚至淘蝕堤身，考慮護岸及堤防的整體穩(wěn)定性，擬對破損嚴重段進行整段拆除重建?？紤]風浪淘蝕對砂礫墊層及堤身的破壞，將原混凝土護面及砂礫墊層拆除，并根據(jù)堤身現(xiàn)狀破壞程度，挖除墊層以下30～50 cm厚填土，堤身開挖后重新回填夯實，護面坡度設(shè)計為1：1.75。

1 732.50 m 以下段：重建護面采用格賓石籠生態(tài)護岸，厚度采用50 cm，下鋪設(shè)30 cm厚砂礫墊層及350 g/m2的土工布以起到反濾作用。

1 732.50 m～現(xiàn)狀硬質(zhì)堤頂：采用植生型護墊防沖刷，采用高性能生態(tài)基材噴播技術(shù)快速成坪綠化，坡度采用現(xiàn)狀護岸坡度。

現(xiàn)狀硬質(zhì)堤頂～培厚加高堤頂：土方填至同現(xiàn)狀硬質(zhì)護岸同坡度，采用高性能生態(tài)基材噴播技術(shù)快速成坪綠化，表面采用加筋麥克墊防沖刷。

3 堤防穩(wěn)定計算

3.1 計算斷面選取

每1 km 選取1 個最不利斷面作為代表進行滲流穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定分析，選擇原則是堤身較高或地質(zhì)狀況較差的薄弱斷面。此次設(shè)計共選取4個斷面進行計算，樁號分別為0+034.5、2+078.5、3+202.5及4+754.8（新建段）。

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，各計算斷面堤身填筑土、堤基土層地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 計算斷面穩(wěn)定計算地質(zhì)參數(shù)表

3.2 計算工況

按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286～2013）的有關(guān)規(guī)定，選擇以下工況進行計算：①工況一（設(shè)計洪水位工況）：設(shè)計洪水位1 735.00 m下的穩(wěn)定滲流期或不穩(wěn)定滲流期背水側(cè)堤坡；②工況二（驟降工況）：設(shè)計洪水位1 735.00 m 24 h內(nèi)水位驟降3 m的臨水側(cè)堤坡；③工況三（地震工況）：設(shè)計洪水位1 735.00 m時遭遇0.15 g 地震力的臨水側(cè)及背水側(cè)堤坡；④工況四（施工工況）：施工期1 726.00 m水位下的臨水側(cè)及背水側(cè)堤坡。

3.2.1 滲流穩(wěn)定分析

依據(jù)規(guī)范規(guī)定，滲流在背水坡坡腳出現(xiàn)所需時間T由下式確定：

式中：K—本次設(shè)計堤防的滲透系數(shù)（m/s）；n0—本次設(shè)計土的有效孔隙率；n—本次設(shè)計土的孔隙率；SW%—飽和度。

黃河上游洪水漲落較緩，歷時較長，洪次較少，間隔較長，堤防在汛期擋水時間長，能形成穩(wěn)定滲流。

滲流計算采用《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)》（AutoBANK 7.079）計算，通過輸入土的不同參數(shù)，采取有限元法進行計算，并以此生成堤防浸潤線，作為滲流穩(wěn)定計算的一個依據(jù)。滲流穩(wěn)定計算結(jié)果見表2。

表2 滲流穩(wěn)定計算成果表

經(jīng)計算，堤防加固后選取的計算斷面的平均出逸比降均小于其允許出逸比降，不會發(fā)生管涌及流土等滲透破壞。新建段位于大草溝、路壕溝中，上下游水位差大，出逸比降大，易造成滲透破壞，對該段設(shè)置戧臺壓滲。

戧臺高3.00 m，寬5.00 m，坡比1：3，戧臺坡腳設(shè)反濾層，設(shè)置戧臺后出逸比降下降至0.076，滿足防滲要求。

3.2.2 抗滑穩(wěn)定分析

此次設(shè)計為5 級堤防，依據(jù)規(guī)范要求，正常運行情況下最小穩(wěn)定系數(shù)為1.10，非常運用情況下最小穩(wěn)定系數(shù)1.05。采用瑞典圓弧法進行計算。

抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果見表3。

表3 抗滑穩(wěn)定計算成果表

經(jīng)計算，不同工況下，堤防臨、背水側(cè)邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.2.3 沉降計算

堤防加高后地基附加應(yīng)力使地基產(chǎn)生沉降變形，壓縮變形S2按下式計算：

式中：S2—未加固土層的壓縮變形量（mm）；ψS—沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；p0—附加壓力（kPa）；ESi—本次設(shè)計堤防底第i 層土的壓縮模量（MPa）；zi、zi-1—本次設(shè)計堤防底到第i、i-1 層的距離（m）；a-i、a-i-1—本次設(shè)計堤防底計算點到第i、i-1 層范圍內(nèi)的平均附加應(yīng)力。

本次仍選取0+034.5、2+078.5、3+202.5 及4+754.8 四個典型斷面復(fù)合地基承載力及沉降變形。

經(jīng)計算，樁號0+034.5、2+078.5、3+202.5及4+754.8地基應(yīng)力分別為133.53 kpa、51.55 kpa、45.22 kpa、127.42 kpa，均小于140 kpa，滿足地基承載力要求。

樁號0+034.5、2+078.5、3+202.5 及4+754.8 地基沉降量分別為101.13 mm、79.07 mm、60.65 mm、110.62 mm，堤防不同段最大沉降小于150 mm，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

文章基于臨夏護岸除險加固工程實例，查明護岸工程地質(zhì)，通過對護岸加固方案，而后進行穩(wěn)定性分析，滿足設(shè)計規(guī)范要求。通過研究分析，得出主要結(jié)論如下：①護岸除險的主要因素為風浪沖刷淘蝕、硬質(zhì)護岸延展性差。②為保證護岸的穩(wěn)定以及維持黃河護岸的生態(tài)性，表面采用抗沖刷強度高的加筋麥克墊，常水位以上采用高性能生態(tài)基材噴播技術(shù)快速成坪綠化。