賈龍

摘 要：水位驟降情況下的堤防穩(wěn)定性被認(rèn)為是最危險(xiǎn)的情況，但對(duì)不同加固措施的穩(wěn)定性效果研究較少。通過選取淮河淮北大堤某段堤防為研究對(duì)象，建立二維有限元滲流模型，在水位驟降情況下，對(duì)分別布置截滲墻和水平壓蓋的堤防迎水坡進(jìn)行的穩(wěn)定性計(jì)算，再計(jì)算組合加固措施下的堤坡穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，當(dāng)采取單一加固措施時(shí)，由安全系數(shù)的增率得出1m厚的水平壓蓋加固效果較好；當(dāng)采取組合防護(hù)時(shí)，其加固效果更好，考慮到經(jīng)濟(jì)方面，選擇采取1m厚的水平蓋重的加固措施比較合理，以此也可以給類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：水位驟降；加固措施；堤防；非穩(wěn)定滲流

前言

水位驟降使得堤防內(nèi)的水來不及排出，堤身處于飽和狀態(tài)，土體的容重增加，在滲流的作用下，造成堤防迎水坡下滑力增大，抗滑力減小，失去穩(wěn)定而產(chǎn)生滑坡。已有學(xué)者在研究堤防穩(wěn)定性時(shí)指出，水位驟降是堤防迎水坡最不穩(wěn)定情況，水位下降越快，邊坡越不穩(wěn)定[1～4]。目前水位驟降情況下堤防的穩(wěn)定性研究已經(jīng)比較成熟，但在水位驟降情況下，堤防采取不同加固措施的穩(wěn)定性效果上研究和應(yīng)用較少，本文以淮北大堤某段堤防為例，在此方面展開研究，來彌補(bǔ)該方面的不足。

1 水位驟降原理和淮北大堤的水位驟降速度

水位驟降一般指水位的降落速度很快，堤防（斜坡體）內(nèi)的自由面或浸潤線滯后于水位降落。Schnitte和Zeller于1975年將飽和滲透系數(shù)Ks、給水度？滋和庫水位下降速度v的比值作為評(píng)價(jià)降落快慢的依據(jù)。毛昶熙[5]分析均質(zhì)土壩和心墻沙殼壩得出：當(dāng)k/？滋v<1/10時(shí)為驟降，此時(shí)壩體內(nèi)的滲流自由面在水位降落后仍占總水頭的90%左右，可以近似認(rèn)為自由面沒有下降；當(dāng)k/？滋v>1/10時(shí)，壩體內(nèi)自由面僅占總水頭的10%左右，不會(huì)影響壩坡的穩(wěn)定性；當(dāng)k/？滋v>100時(shí)，滲流自由面將與水位同步下降。

為了工程計(jì)算方便，將“k/？滋v>1/10”換算成水位下降速度，即V>10k/ 時(shí)發(fā)生驟降，對(duì)于大多數(shù)土質(zhì)堤防來說，一般認(rèn)為當(dāng)V>0.5m/d時(shí)，即算是水位驟降情況[6]，所以對(duì)于淮北大堤的水位驟降速度判斷以0.5m/d為準(zhǔn)，計(jì)算時(shí)為保守起見取5m/d。

2 堤防概況和有限元模型

選取的堤防位于淮南市和臺(tái)風(fēng)縣之間的上、下六坊堤行洪區(qū)，河底高程10.60～13.50m，寬約150m。堤防以南的灘地，地面高程一般19.50m左右。研究堤段河道正常水位為18.05m，20a一遇設(shè)計(jì)洪水位為23.06m。堤身主要是由粉質(zhì)粘土組成，河床為粉質(zhì)粘土和輕粉質(zhì)壤土，基巖為泥粉質(zhì)砂巖。堤防附近土層從上到下為粉質(zhì)粘土、輕粉質(zhì)壤土、粉細(xì)砂、輕粉質(zhì)壤土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土。選取大堤某段典型斷面，典型斷面土層見圖1。

圖1 堤防典型斷面

（1）建模范圍。以堤壩為中心，水平方向上向堤防兩側(cè)取兩倍的堤高，垂直方向上由截滲墻底端向下取兩倍的堤高。模型左右長(zhǎng)度約為52m，高度約為22m。坐標(biāo)原點(diǎn)位于左邊界高程0.0m處，X軸垂直于堤防向右為正，Z軸向上為正，穩(wěn)定計(jì)算模型見圖2。

（2）加固措施選擇。由于水位驟降致使堤坡失穩(wěn)的原因既有水流滲透因素又有土體下滑因素，故根據(jù)已有的堤防加固措施資料[7]，選擇截滲墻、水平壓蓋兩種加固措施。設(shè)計(jì)截滲墻厚度為20cm和40cm，堤頂布置和堤肩布置，設(shè)計(jì)深度為深入輕粉質(zhì)壤土1m，滲透系數(shù)為1×10-6cm/s；設(shè)計(jì)水平壓蓋厚度為0.5m和1m，寬度為均為6m，沿內(nèi)河側(cè)布置，滲透系數(shù)為3×10-6cm/s。

（3）模型邊界條件。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，堤內(nèi)側(cè)為高度隨時(shí)間變化的變水頭邊界，地下水位取14m，堤防迎水面以上和背水面定義為逸出邊界，堤身后導(dǎo)滲溝定義為逸出邊界；不考慮降雨作用，其他邊界為不透水邊界。

（4）原堤岸邊坡穩(wěn)定性。由非飽和土滲流原理和極限平衡法，利用SEEP/W軟件，以5m/d下降速度為例，在不同水位下，對(duì)原始堤防邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果見表1。由表2可以看出，當(dāng)水位降至21.98左右時(shí)，堤岸安全系數(shù)降到1.3及其以下，直至小于1，說明此時(shí)堤岸不穩(wěn)定，需要采取加固措施保證堤防的安全性。

表1 水位驟降時(shí)各水位高程堤岸坡體穩(wěn)定性

3 采取單一加固措施的堤岸邊坡穩(wěn)定性

3.1 采取截滲墻加固的堤岸邊坡穩(wěn)定性

采取不同厚度和位置的截滲墻對(duì)堤防進(jìn)行加固，通過減小堤身內(nèi)的滲流量來維護(hù)堤坡的穩(wěn)定性，對(duì)堤岸穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可以看出，布置截滲墻后，堤防坡體的安全系數(shù)均增大，但幅度并不明顯，只有在堤頂布置的40cm厚截滲墻下，堤防的安全系數(shù)最終滿足于規(guī)范要求，可見截滲墻的加固效果并不是很有效。

表2 不同水位下布置截滲墻的堤坡安全系數(shù)

3.2 采取水平壓蓋的堤岸邊坡穩(wěn)定性

在堤防迎水坡堤腳處分別布置0.5m、1m厚的水平壓蓋，寬度為6m，通過水平壓蓋可以給堤腳處增加抗滑力來提高堤坡的安全系數(shù)，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，布置水平壓蓋后，堤坡的安全系數(shù)相對(duì)增加較大，所有數(shù)值均大于1.3，堤坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 不同水位下布置水平壓蓋的堤坡安全系數(shù)

4 采取聯(lián)合加固措施的堤岸邊坡穩(wěn)定性

對(duì)堤防采取截滲墻和水平壓蓋聯(lián)合加固，原理是“內(nèi)部防滲、下部增重”。同樣選取加固效果最好的單一措施，選擇40cm厚度布置在堤頂?shù)慕貪B墻和1m厚的水平壓蓋聯(lián)合加固，對(duì)堤坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，堤坡的安全系數(shù)均有提高，其加固效果要好于截滲墻和護(hù)坡聯(lián)合加固。

表4 截滲墻和水平壓蓋聯(lián)合加固的堤坡安全系數(shù)

5 不同加固措施的應(yīng)用效果

為了能夠更直接地反映出加固措施的加固效果，在這里計(jì)算出不同水位安全系數(shù)大于1.3的堤坡安全系數(shù)增率，單一加固措施的計(jì)算結(jié)果見表5，聯(lián)合加固措施的見表6。從表5可以看出，增率最大的是1m厚的水平壓蓋，為59.3%，最小的是40cm厚的護(hù)坡，為37.4%。從表6可以看出，聯(lián)合加固的效果明顯增大，最大的是截滲墻和護(hù)坡聯(lián)合使用的組合，為83.9%，最小的是護(hù)坡和水平蓋重聯(lián)合使用的組合，為76.3%。

表5 單一加固措施的堤坡安全系數(shù)增率

表6 聯(lián)合加固措施的堤坡安全系數(shù)增率

6 結(jié)束語

（1）采取單一加固措施時(shí)，1m厚的水平蓋重加固效果較好，平均安全系數(shù)增率59.3%，截滲墻效果其次，平均安全系數(shù)增率為42.8%，所以若采取單一措施首先考慮水平蓋重，但考慮到截滲墻的施工速度較快，故在緊急情況下也可以作為首選。

（2）采取聯(lián)合加固措施時(shí)，截滲墻和水平壓蓋的聯(lián)合加固效果明顯比單一加固措施的要好，安全系數(shù)增率為83.9%，但從經(jīng)濟(jì)上來考慮，聯(lián)合加固措施造價(jià)較高，所以在選擇上需要考慮工程費(fèi)用。

（3）從加固效果來看，采取增加抗滑力的效果比減少堤身滲水的效果好，但減少堤身滲水可以減小堤身背水側(cè)和堤基有可能產(chǎn)生的險(xiǎn)情，在這一方面還有待進(jìn)一步研究。

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