康　鋒　陶春潔　李志強(qiáng)

（河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南安陽(yáng)　455000）

水位降落期堤防上游邊坡抗滑穩(wěn)定初步研究

康鋒陶春潔李志強(qiáng)

（河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南安陽(yáng)455000）

本文通過(guò)建立抗滑穩(wěn)定力學(xué)模型分析比較，首次提出堤防水位下降時(shí)堤防的最危險(xiǎn)滑裂面不斷向上游側(cè)偏移。通過(guò)抗滑穩(wěn)定成果對(duì)比，提出堤防臨水側(cè)邊坡在水位降落初期抗滑穩(wěn)定較弱。同時(shí)闡述了水位下降時(shí)最危險(xiǎn)滑裂面的變化規(guī)律，為管理部門(mén)對(duì)堤防合理運(yùn)用提供依據(jù)，也為進(jìn)一步研究堤防臨水面水位下降期邊坡抗滑穩(wěn)定提供依據(jù)。

堤防邊坡；抗滑穩(wěn)定；分析

1　概述

根據(jù)2013年初全國(guó)水利普查公報(bào)成果，中國(guó)堤防總長(zhǎng)度為41.37萬(wàn)km。5級(jí)及以上堤防總長(zhǎng)27.55 萬(wàn)km，其中已建堤防長(zhǎng)度為26.75萬(wàn)km，在建堤防長(zhǎng)度為0.8萬(wàn)km。這些堤防保護(hù)著河流兩岸廣大范圍內(nèi)的城鎮(zhèn)和良田，是保護(hù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展成果的有力屏障［1］。

堤防的抗滑穩(wěn)定分析對(duì)堤防工程安全運(yùn)行特別重要?；路€(wěn)定分析方法主要有極限平衡理論、塑性極限分析、模糊極值理論和有限單元法等。這些穩(wěn)定分析方法可大致概括為兩類(lèi):滑動(dòng)面法和單位應(yīng)力法?；瑒?dòng)面法主要是以瑞典法、畢肖普和簡(jiǎn)布法等為代表的條分法，可用于均質(zhì)或非均質(zhì)土坡的計(jì)算，工程實(shí)際中應(yīng)用較多［2］。另外，在進(jìn)行堤防工程邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，需考慮設(shè)計(jì)洪水位下穩(wěn)定滲流時(shí)的背水側(cè)邊坡、設(shè)計(jì)洪水位驟降時(shí)的臨水側(cè)邊坡、施工期的臨水和背水側(cè)邊坡等，根據(jù)不同的工況選擇相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)和計(jì)算方法（總應(yīng)力法或有效應(yīng)力法），準(zhǔn)確地分析其邊坡是否穩(wěn)定。

本文計(jì)算分析模型選用廣潤(rùn)坡滯洪區(qū)東防洪堤，控制工況為滯洪水位降落期，采用理正邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)軟件對(duì)堤防臨水側(cè)進(jìn)行計(jì)算。首次提出在水位降落過(guò)程中，降落初期為邊坡抗滑穩(wěn)定最不利期，并總結(jié)出在水位下降過(guò)程中最不利滑裂面的變化規(guī)律，為堤防加固及堤防的運(yùn)行提供了依據(jù)。

2　工程概況

廣潤(rùn)坡蓄滯洪區(qū)位于衛(wèi)河支流湯河、安陽(yáng)河之間區(qū)域，為華北沉積型地層區(qū)，是自然洼地。廣潤(rùn)坡分為一、二兩級(jí)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用，一級(jí)蓄滯洪區(qū)東部以東防洪堤為界，西部以西防洪堤為界，南部以湯河右堤為界，北部為自然高地。湯河治理后，發(fā)生20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，廣潤(rùn)坡一級(jí)蓄滯洪區(qū)的最高滯洪水位為57.02m，東防洪堤堤頂高程為58.42m。東防洪堤為加固工程，堤防級(jí)別為4級(jí)，全斷面為土堤，堤防堤身斷面如下:堤頂寬度為3m，堤防臨、背水坡比為1∶2，計(jì)算斷面堤高為4m。

東防洪堤堤身及堤基為重粉質(zhì)壤土，土體容重γ 為18.9kN/m3，飽和容重γ飽為20kN/m3，滲透系數(shù)k為0.039m/d，給水度μ為0.004。當(dāng)廣潤(rùn)坡一級(jí)蓄滯洪區(qū)通過(guò)湯河上四伏廠節(jié)制閘退洪時(shí)，一般退水時(shí)間均在15d左右，因此平均每天降落速度 ν按0.17m/d計(jì)算。

3　堤坡抗滑穩(wěn)定分析

3.1臨水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定的計(jì)算條件

a.當(dāng)k/μV≤1/10時(shí)，此時(shí)堤前水位為驟降，堤身內(nèi)滲流自由面在水位降落后仍保持有總水頭的90%左右，故可近似認(rèn)為堤身浸潤(rùn)線基本保持原位置不變，這種情況對(duì)上游堤坡的穩(wěn)定最為不利，為了偏于安全，可以按照水位開(kāi)始降落前的浸潤(rùn)線位置進(jìn)行堤坡穩(wěn)定分析［3］。

b.當(dāng)k/μν＞60時(shí)，堤前水位緩慢下降，此時(shí)堤身滲流自由面保持總水頭10%以下，已不致影響堤坡穩(wěn)定，因此，一般不需要進(jìn)行上游坡水位緩降的穩(wěn)定計(jì)算［3］。

c.當(dāng)1/10＜k/μν≤60時(shí)，浸潤(rùn)線的下降介于上述兩種情況之間，堤前水位為一般降落，需要進(jìn)行上游坡水位降落的穩(wěn)定計(jì)算。為進(jìn)行上游坡的穩(wěn)定分析，應(yīng)按照水位降落過(guò)程計(jì)算浸潤(rùn)線下降的位置。

3.2水位降落期堤防浸潤(rùn)線的計(jì)算

根據(jù)東防洪堤實(shí)測(cè)資料計(jì)算，廣潤(rùn)坡東防洪堤k/μν為1.66，屬于水位降落的情況，應(yīng)進(jìn)行上游坡水位降落時(shí)的穩(wěn)定計(jì)算。按照15d將滯洪區(qū)水退完，將水位下降時(shí)段劃分為五段來(lái)考慮，采用理正滲流分析系統(tǒng)軟件，按不透水地基上無(wú)排水的均質(zhì)土堤公式計(jì)算，計(jì)算水位降落期的浸潤(rùn)線如圖1所示。

圖1　水位降落過(guò)程浸潤(rùn)線（單位:m）

從圖1可以看出，水位降落從滯洪水位57.02m開(kāi)始，按每下降3d計(jì)算繪制1條浸潤(rùn)線，共繪制5條浸潤(rùn)線。堤身的浸潤(rùn)線是堤坡抗滑穩(wěn)定分析的基本數(shù)據(jù)，因而，浸潤(rùn)線計(jì)算及繪制為下一步分時(shí)段計(jì)算水位降落時(shí)臨水面邊坡抗滑穩(wěn)定做準(zhǔn)備。

3.3水位降落期堤防邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

水位降落期堤防臨水面邊坡穩(wěn)定［4］采用瑞典圓弧滑動(dòng)計(jì)算法，將土體劃分為0.5m寬土條，運(yùn)用理正邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行計(jì)算。其中與滑動(dòng)方向相反的土條切向力，可按抗滑力或負(fù)的下滑力考慮。土堤堤坡穩(wěn)定計(jì)算方法因土體抗剪強(qiáng)度不同而不同，分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法，水位降落期應(yīng)采用總應(yīng)力法，水位降落期滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按式（1）計(jì)算:

式中b——條塊寬度，m；

W——條塊重力，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——堤坡外水位高于條塊底面中點(diǎn)的距離，m；u——穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，

kPa；β——條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半

徑之間的夾角，（°）；

φ'、c'——土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。將滲流分時(shí)段數(shù)據(jù)及圖形導(dǎo)入理正邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)軟件，計(jì)算并繪制出水位降落3d、6d、9d、12d、15d時(shí)臨水面邊坡抗滑穩(wěn)定圖形，如圖2～圖6所示。

圖2　水位降落3d邊坡抗滑穩(wěn)定圖（單位:m）

圖3　水位降落6d邊坡抗滑穩(wěn)定圖（單位:m）

圖4　水位降落9d邊坡抗滑穩(wěn)定圖（單位:m）

圖5　水位降落12d邊坡抗滑穩(wěn)定圖（單位:m）

圖6　水位降落15d邊坡抗滑穩(wěn)定圖（單位:m）

從圖中可以看出:?水位降落3d和6d時(shí)，堤防臨水面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均為1.69，比水位降落9d時(shí)安全系數(shù)要小，說(shuō)明水位降落初期抗滑穩(wěn)定較弱，要注意堤坡抗滑失穩(wěn)的情況，特別是堤身、堤基材料滲透系數(shù)較大等不利穩(wěn)定因素存在時(shí)，應(yīng)將水位下降初期的降落速度減小，由降落變?yōu)榫徑担瑥亩乐拱l(fā)生抗滑失穩(wěn)情況；?水位下降過(guò)程中，上游側(cè)堤腳處堤基在下降初期并未成為最危險(xiǎn)滑裂面，但隨著水位下降過(guò)程，最危險(xiǎn)滑裂面不斷向上游側(cè)偏移，所以在下降中后期應(yīng)注意上游側(cè)堤腳處堤基的抗滑穩(wěn)定。因而，在工程實(shí)際降落過(guò)程中，在注意臨水面邊坡穩(wěn)定的情況下，還應(yīng)注意上游地基的抗滑穩(wěn)定，必要時(shí)采用鋪設(shè)蓋重、土工膜等工程措施［5］來(lái)防止降落后期堤基的抗滑失穩(wěn)。

從下表可以看出，堤防上游水位降落過(guò)程中，最不穩(wěn)定滑裂面和滑動(dòng)圓心坐標(biāo)隨著浸潤(rùn)線的下降而向上游水平偏移，圓弧滑動(dòng)半徑不斷增大。同時(shí)，通過(guò)穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律可知，水位下降初期為邊坡穩(wěn)定的危險(xiǎn)階段，應(yīng)注意堤防臨水側(cè)抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。

水位下降邊坡抗滑穩(wěn)定成果表　單位:m

4　結(jié)語(yǔ)

邊坡的穩(wěn)定性分析一直是巖土和地質(zhì)工程研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。水利堤壩經(jīng)常由于坡前水位的驟降而出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，這些滑坡現(xiàn)象都與坡體內(nèi)浸潤(rùn)線變化密切相關(guān)［6］。本文運(yùn)用理正滲流、穩(wěn)定軟件，對(duì)滯洪區(qū)堤防進(jìn)行分析計(jì)算，找出水位降落期臨水面堤坡抗滑穩(wěn)定的規(guī)律。通過(guò)分析水位下降時(shí)最危險(xiǎn)滑裂面的變化規(guī)律，為管理部門(mén)對(duì)堤防合理運(yùn)用提供依據(jù)，為進(jìn)一步研究堤防臨水面水位降落邊坡抗滑穩(wěn)定提供基礎(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)水位降落初期為堤防臨水面堤坡抗滑穩(wěn)定的最危險(xiǎn)階段，所以在進(jìn)行滯洪區(qū)運(yùn)用過(guò)程中，應(yīng)密切關(guān)注運(yùn)用初期堤防的邊坡變化，適當(dāng)調(diào)整水位下降速度，在保證堤防安全的情況下合理運(yùn)用滯洪區(qū)。■

［1］牛賀道，胡建華.堤防安全評(píng)價(jià)探討［J］.水利建設(shè)與管理，2006（2）:72-74.

［2］周建平.中國(guó)典型工程邊坡［M］.北京:中國(guó)水利電力出版社，2008.

［3］毛海濤.無(wú)限深透水地基上土石壩滲流計(jì)算與分析［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2014.

［4］李世娟.小型水庫(kù)土石壩穩(wěn)定分析［J］.水利建設(shè)與管理，2015（3）:27-29.

［5］易少銳，張?jiān)铺?武漢市童家湖堤險(xiǎn)情分析及整治［J］.水利建設(shè)與管理，2014（12）:62-65.

［6］趙明華，鄒新軍，蔣德松.邊坡穩(wěn)定分析及其在堤防工程中的應(yīng)用［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001（3）:25-28.

Preliminary study on dyke upstream slope skid resistance stability during drawdown period

KANG Feng，TAO Chunjie，LI Zhiqiang
（North Henan Water Conservancy Reconnaissance and Design Institute，Anyang 455000，China）

In the paper，it is firstly proposed that the most dangerous slip surface of the dyke is continuously deviated to the upstream side during dyke water level decrease through establishing skid resistance stability dynamic model for analysis and comparison.The dyke waterside slope has weaker skid resistance stability at the initial stage of water level decrease through comparison of skid resistance stability results.Meanwhile，the change rule of the most dangerous slip surface during water level decrease is described，which provides basis for management department to rationally use dykes and further studying slope skid resistance stability during water level decrease of dyke waterside surface.

dyke slope；skid resistance stability；analysis

TV871

A

1005-4774（2016）05-0022-03

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.05.006