水位降落期堤防上游边坡抗滑稳定初步研究（水利）

水位降落期堤防上游边坡抗滑稳定初步研究（水利）

                         康  锋  陶春洁  李志强

               （河南省豫北水利勘测设计院，河南安阳  455000）

【摘要】  本文通过建立抗滑稳定力学模型分析比较，首次提出堤防水位下降时堤防的最危险滑裂面不断向上游侧偏移。通过抗滑稳定成果对比，提出堤防临水侧边坡在水位降落初期抗滑稳定较弱。同时阐述了水位下降时最危险滑裂面的变化规律，为管理部门对堤防合理运用提供依据，也为进一步研究堤防临水面水位下降期边坡抗滑稳定提供依据。

【关键词】  堤防边坡；抗滑稳定；分析

中图分类号：TV871  文章编号：1005-4774( 2016) 05-0022-03

【概述

  根据2013年初全国水利普查公报成果，中国堤防总长度为41. 37万km。5级及以上堤防总长27. 55万km，其中已建堤防长度为26. 75万km，在建堤防长度为0.8万km。这些堤防保护着河流两岸广大范围内的城镇和良田，是保护国家经济和社会发展成果的有力屏障。

    堤防的抗滑稳定分析对堤防工程安全运行特别重要。滑坡稳定分析方法主要有极限平衡理论、塑性极限分析、模糊极值理论和有限单元法等。这些稳定分析方法可大致概括为两类：滑动面法和单位应力法。滑动面法主要是以瑞典法、毕肖普和简布法等为代表的条分法，可用于均质或非均质土坡的计算，工程实际中应用较多。另外，在进行堤防工程边坡稳定性分

析时，需考虑设计洪水位下稳定渗流时的背水侧边坡、设计洪水位骤降时的临水侧边坡、施工期的临水和背水侧边坡等，根据不同的工况选择相应的强度指标和计算方法（总应力法或有效应力法），准确地分析其边坡是否稳定。

    本文计算分析模型选用广润坡滞洪区东防洪堤，控制工况为滞洪水位降落期，采用理正边坡稳定分析系统软件对堤防临水侧进行计算。首次提出在水位降落过程中，降落初期为边坡抗滑稳定最不利期，并总结出在水位下降过程中最不利滑裂面的变化规律，为堤防加固及堤防的运行提供了依据。

2工程概况

    广润坡蓄滞洪区位于卫河支流汤河、安阳河之间区域，为华北沉积型地层区，是自然洼地。广润坡分为一、二两级蓄滞洪区运用，一级蓄滞洪区东部以东防洪堤为界，西部以西防洪堤为界，南部以汤河右堤为界，北部为自然高地。汤河治理后，发生20年一遇设计洪水时，广润坡一级蓄滞洪区的最高滞洪水位为57. 02m，东防洪堤堤顶高程为58. 42m。东防洪堤为加固工程，堤防级别为4级，全断面为土堤，堤防堤身断面如下：堤顶宽度为3m，堤防临、背水坡比为1：2，计算断面堤高为4m。

    东防洪堤堤身及堤基为重粉质壤土，土体容重y为18. 9kN/m³，饱和容重y_饱为20kN/m³，渗透系数k为0. 039m/d，给水度为0.004。当广润坡一级蓄滞洪区通过汤河上四伏厂节制闸退洪时，一般退水时间均在15d左右，因此平均每天降落速度v按0.17 m/d计算。

3堤坡抗滑稳定分析

3.1  临水侧堤坡抗滑稳定的计算条件

    a．当k/≤1/10时，此时堤前水位为骤降，堤身内渗流自由面在水位降落后仍保持有总水头的90%左右，故可近似认为堤身浸润线基本保持原位置不变，这种情况对上游堤坡的稳定最为不利，为了偏于安全，可以按照水位开始降落前的浸润线位置进行堤坡稳定分析。

    b．当k/> 60时，堤前水位缓慢下降，此时堤身渗流自由面保持总水头1%以下，已不致影响堤坡稳定，因此，一般不需要进行上游坡水位缓降的稳定计算。

    c．当1/10< k/≤60时，浸润线的下降介于上述两种情况之间，堤前水位为一般降落，需要进行上游坡水位降落的稳定计算。为进行上游坡的稳定分析，应按照水位降落过程计算浸润线下降的位置。

3.2水位降落期堤防浸润线的计算

    根据东防洪堤实测资料计算，广润坡东防洪堤k/为1.66，属于水位降落的情况，应进行上游坡水位降落时的稳定计算。按照15d将滞洪区水退完，将水位下降时段划分为五段来考虑，采用理正渗流分析系统软件，按不透水地基上无排水的均质土堤公式计算，计算水位降落期的浸润线如图1所示。

    从图1可以看出，水位降落从滞洪水位57. 02m开始，按每下降3d计算绘制1条浸润线，共绘制5条浸润线。堤身的浸润线是堤坡抗滑稳定分析的基本数据，因而，浸润线计算及绘制为下一步分时段计算水位降落时临水面边坡抗滑稳定做准备。

3.3  水位降落期堤防边坡抗滑稳定计算

    水位降落期堤防临水面边坡稳定采用瑞典圆弧滑动计算法，将土体划分为0. 5m宽土条，运用理正边坡稳定分析系统软件进行计算。其中与滑动方向相反的土条切向力，可按抗滑力或负的下滑力考虑。土堤堤坡稳定计算方法因土体抗剪强度不同而不同，分为总应力法和有效应力法，水位降落期应采用总应力法，水位降落期渗流期抗滑稳定安全系数可按式(1)计算：

式中b------条块宽度，m；

    W——条块重力，k N；

    W₁——在堤坡外水位以上的条块重力，k N;

    W₂——在堤坡外水位以下的条块重力，k N;

    Z--------堤坡外水位高于条块底面中点的距离，m;

    u——稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙压力，

kPa：

    将渗流分时段数据及图形导入理正边坡稳定分析系统软件，计算并绘制出水位降落3d、6d、9d、12d、15d时临水面边坡抗滑稳定图形，如图2～图6所示。

    从图中可以看出：水位降落3d和6d时，堤防临水面抗滑稳定安全系数均为1. 69，比水位降落9d时安全系数要小，说明水位降落初期抗滑稳定较弱，要注意堤坡抗滑失稳的情况，特别是堤身、堤基材料渗透系数较大等不利稳定因素存在时，应将水位下降初期的降落速度减小，由降落变为缓降，从而防止发生抗滑失稳情况；水位下降过程中，上游侧堤脚处堤基在下降初期并未成为最危险滑裂面，但随着水位下降过程，最危险滑裂面不断向上游侧偏移，所以在下降中后期应注意上游侧堤脚处堤基的抗滑稳定。因而，在工程实际降落过程中，在注意临水面边坡稳定的情况下，还应注意上游地基的抗滑稳定，必要时采用铺设盖重、土工膜等工程措施来防止降落后期堤基的抗滑失稳。

    从下表可以看出，堤防上游水位降落过程中，最不稳定滑裂面和滑动圆心坐标随着浸润线的下降而向上游水平偏移，圆弧滑动半径不断增大。同时，通过稳定安全系数的变化规律可知，水位下降初期为边坡稳定的危险阶段，应注意堤防临水侧抗滑稳定问题。

    边坡的稳定性分析一直是岩土和地质工程研究的热点和难点。水利堤坝经常由于坡前水位的骤降而出现失稳破坏，这些滑坡现象都与坡体内浸润线变化密切相关。本文运用理正渗流、稳定软件，对滞洪区堤防进行分析计算，找出水位降落期临水而堤坡抗滑稳定的规律。通过分析水位下降时最危险滑裂面的变化规律，为管理部门对堤防合理运用提供依据，为进一步研究堤防临水面水位降落边坡抗滑稳定提供基础。同时，通过数据分析，发现水位降落初期为堤防临水面堤坡抗滑稳定的最危险阶段，所以在进行滞洪区运用过程中，应密切关注运用初期堤防的边坡变化，适当调整水位下降速度，在保证堤防安全的情况下合理运用滞洪区。