尚欽 潘文浩 周冬妮

摘要：在護(hù)岸工程設(shè)計(jì)中，岸坡穩(wěn)定計(jì)算工況的確定缺少明確規(guī)范依據(jù)，參照其他相關(guān)規(guī)范擬定的計(jì)算工況不符合工程實(shí)際，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。為了全面分析實(shí)際工程中岸坡穩(wěn)定遭遇的工況，科學(xué)指導(dǎo)護(hù)岸工程設(shè)計(jì)，針對(duì)河道岸坡復(fù)雜的水土邊界條件，通過對(duì)水位、降雨、滲流、荷載等相關(guān)影響因素的綜合分析，提出了相對(duì)合理、簡(jiǎn)便、明確的護(hù)岸工程岸坡計(jì)算工況擬定方法。結(jié)合長(zhǎng)江中下游河道岸坡具體情況，給出了部分重點(diǎn)河段的推薦計(jì)算工況和控制參數(shù)。研究結(jié)果對(duì)護(hù)岸工程岸坡穩(wěn)定計(jì)算具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：護(hù)岸工程; 岸坡穩(wěn)定; 水位驟降; 沖刷坑; 高地下水; 長(zhǎng)江中下游

中圖法分類號(hào)：TV861 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.011

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）06 - 0058 - 05

0 引 言

護(hù)岸工程岸坡穩(wěn)定問題主要研究的是灘唇直至岸坡坡腳，當(dāng)?shù)掏鉄o(wú)灘時(shí)，與堤防一體作為整體考慮[1]?，F(xiàn)行規(guī)范GB 50707-2011《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的坡式護(hù)岸岸坡穩(wěn)定均是參照了堤防工程，但對(duì)計(jì)算工況及相應(yīng)安全系數(shù)未單獨(dú)做明確說明。張寧[2]、張晨等[3]對(duì)水位驟降工況下滲流因素對(duì)岸坡穩(wěn)定的影響進(jìn)行了分析，承宇等[4]也對(duì)降雨因素展開了研究，但均未提出具體的工況擬定方法。目前，工程設(shè)計(jì)人員對(duì)于岸坡處理主要還是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并參照堤防工程，導(dǎo)致具體計(jì)算處理的主觀性較大，標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一。

本文針對(duì)河道岸坡水土邊界條件復(fù)雜的情況，通過剖析規(guī)范中的設(shè)計(jì)工況，排除了針對(duì)性不強(qiáng)的計(jì)算工況，增補(bǔ)了針對(duì)護(hù)岸工程的特殊工況，明確提出了一般性控制工況及擬定方法。同時(shí)，結(jié)合長(zhǎng)江中下游河道岸坡的具體情況，提出了合理、簡(jiǎn)便的計(jì)算工況和相關(guān)參數(shù)處理建議。

1 計(jì)算工況分析

1.1 參照堤防工程的計(jì)算工況

參照GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算工況分為正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件兩類[5]（表1）。

上述參照工況對(duì)護(hù)岸工程并不適用。這是因?yàn)椋孩?護(hù)岸工程主要分布在灘唇前沿，不存在背水側(cè)穩(wěn)定問題;② 灘面高程一般低于設(shè)計(jì)洪水位，小幅的設(shè)計(jì)洪水位驟降基本不改變岸坡受力條件;③ 岸坡坡腳可能發(fā)生沖刷，改變了計(jì)算的邊界條件，而上述工況未考慮這種情況。

1.2 護(hù)岸工程計(jì)算工況

針對(duì)護(hù)岸工程特點(diǎn)，應(yīng)擬定更貼合工程實(shí)際的計(jì)算工況（表2），具體如下。

（1） 正常運(yùn)用工況。對(duì)于水位驟降期的臨水側(cè)岸坡，應(yīng)從灘唇至設(shè)計(jì)枯水位之間選擇一個(gè)水位和相應(yīng)一定時(shí)段的驟降高度，以兩者之間最危險(xiǎn)遭遇作為計(jì)算條件。設(shè)計(jì)枯水位穩(wěn)定滲流期的臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定作為其中的一個(gè)特殊組合。

（2） 非常運(yùn)用工況。① 施工期的臨水側(cè)岸坡。對(duì)于無(wú)填方或?qū)Π镀峦馏w擾動(dòng)較小的挖方護(hù)岸，該工況基本等同于設(shè)計(jì)枯水位穩(wěn)定滲流期的臨水側(cè)岸坡工況。② 多年平均水位時(shí)遭遇地震的臨水側(cè)堤坡。③ 考慮坡腳沖刷后地形變化的水位驟降期臨水側(cè)堤坡。由于沖刷后地形是按照可能最大沖刷坑深度預(yù)測(cè)的，鑒于發(fā)生最大沖刷深度的風(fēng)險(xiǎn)概率不好評(píng)估，且目前預(yù)測(cè)手段準(zhǔn)確性不高，將該工況作為非常運(yùn)用工況較為合適。④ 多雨地區(qū)，考慮枯水期長(zhǎng)期降雨的臨水側(cè)堤坡。該工況是從灘唇至設(shè)計(jì)枯水位之間選擇一個(gè)水位和相應(yīng)時(shí)段由于長(zhǎng)期降雨而產(chǎn)生的高地下水位，以兩者之間最危險(xiǎn)遭遇作為計(jì)算條件。該工況與水位驟降工況計(jì)算條件類似，只是產(chǎn)生原因和遭遇情況不同。

綜上所述，計(jì)算工況中最為復(fù)雜的是：① 正常運(yùn)行條件下，水位驟降期臨水側(cè)岸坡;② 非常運(yùn)用條件下，考慮坡腳沖刷后地形變化的水位驟降期臨水側(cè)岸坡;③ 非常運(yùn)用條件下，多雨地區(qū)考慮枯水期長(zhǎng)期降雨的臨水側(cè)岸坡。本文將對(duì)上述工況進(jìn)行具體分析。

2 水位驟降期臨水側(cè)岸坡工況

2.1 確定方法

由于各河段水文氣象情況、灘地地形地質(zhì)條件不同，對(duì)于水位和驟降高度、水位和高地下水的最危險(xiǎn)遭遇，還需進(jìn)一步分析研究。長(zhǎng)江中下游河道岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)一般可分為單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)及多層結(jié)構(gòu)，其中，又以雙層的二元結(jié)構(gòu)為主。地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)滲流影響較大，但在研究水位驟降期（一般不超過30 d）不穩(wěn)定滲流時(shí)，驟降幅度一般都不大，且處于土層分層的情況不多，一般多為單一土層。因此，本研究假定驟降幅度內(nèi)為單一土層。

選取宜昌、枝城、監(jiān)利、鄂州、武穴、九江、南京等地典型岸坡進(jìn)行分析研究。對(duì)于水位驟降工況，研究基本技術(shù)路線見圖1。

根據(jù)岸坡非穩(wěn)定滲流計(jì)算成果，驟降工況下岸坡土體的非穩(wěn)定滲流主要受滲透系數(shù)的影響。土體滲透系數(shù)大于1×10-3? cm/s時(shí)，岸坡土體內(nèi)浸潤(rùn)線基本可跟長(zhǎng)江水位同步驟降，因此可以不考慮水位驟降;隨著土體滲透系數(shù)的減小，浸潤(rùn)線降低滯后于長(zhǎng)江水位降落的時(shí)間逐漸增大，詳見表3。而且，在時(shí)段末期浸潤(rùn)線下降速率明顯減緩。同時(shí)，地下水位對(duì)岸坡抗滑穩(wěn)定影響的敏感性分析表明，在時(shí)段末期，地下水位對(duì)岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響也較小[6]。

2.2 確定結(jié)果

三峽工程建成后十余年來，通過分析長(zhǎng)江中下游沿線水文（位）站歷史逐日水位資料，確定了水位驟降期臨水側(cè)岸坡計(jì)算工況如下。

（1） 宜枝河段。在平灘水位至設(shè)計(jì)枯水位之間3，7，15 d的最大驟降分別可達(dá)3.1，3.9 m和4.7 m。越接近設(shè)計(jì)枯水位的最大驟降高度越小，一般15 d內(nèi)不超過2.0 m。同時(shí)，該河段岸坡土體一般為二元結(jié)構(gòu)，上層為粉土或粉細(xì)砂、粉質(zhì)壤土互層（滲透系數(shù)為i×10-4～i×10-5? cm/s，i為1～9），下層為砂、卵、礫石。根據(jù)典型斷面各水位和驟降高度組合工況下抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，并綜合各方面因素影響，大體上確定從設(shè)計(jì)枯水位+6.0 m驟降4.0 m為最危險(xiǎn)工況;對(duì)局部黏性土岸坡，從設(shè)計(jì)枯水位+7.0 m驟降5.0 m為最危險(xiǎn)工況。

（2） 下荊江河段。在平灘水位至設(shè)計(jì)枯水位之間，3，7，15 d的最大驟降分別可達(dá)1.6，3.2 m和3.8 m。越接近設(shè)計(jì)枯水位的最大驟降高度越小，一般15 d內(nèi)不超過2.0 m。同時(shí)，該河段岸坡土體一般為二元結(jié)構(gòu)，上層為粉土或粉質(zhì)黏土（滲透系數(shù)i×10-5～i×10-6? cm/s，i為1～9），下層為粉細(xì)砂或砂礫石。根據(jù)典型斷面各水位和驟降高度組合工況下抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，并綜合各方面因素影響，大體上確定對(duì)粉土從設(shè)計(jì)枯水位+5.0 m驟降3.0 m為最危險(xiǎn)工況;對(duì)黏性土，從設(shè)計(jì)枯水位+6.0 m驟降4.0 m為最危險(xiǎn)工況。

（3） 鄂黃河段。在平灘水位至設(shè)計(jì)枯水位之間，3，7，15 d的最大驟降分別可達(dá)1.0，2.7 m和3.6 m。越接近設(shè)計(jì)枯水位的最大驟降高度越小，一般15 d內(nèi)不超過1.5 m。同時(shí)，該河段岸坡土體一般為二元結(jié)構(gòu)，上層為粉土或粉質(zhì)黏土（滲透系數(shù)i×10-5～i×10-6? cm/s，i為1～9），下層為粉細(xì)砂或粉質(zhì)黏土。根據(jù)典型斷面各水位和驟降高度組合工況下抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，并綜合各方面因素影響，大體上確定對(duì)粉土從設(shè)計(jì)枯水位+4.0 m驟降3.0 m為最危險(xiǎn)工況;對(duì)黏性土，從設(shè)計(jì)枯水位+4.5 m驟降3.5 m為最危險(xiǎn)工況。

（4） 龍坪河段。在平灘水位至設(shè)計(jì)枯水位之間，3，7，15 d的最大驟降分別可達(dá)1.0，2.0 m和3.5 m。越接近設(shè)計(jì)枯水位的最大驟降高度越小，一般15 d內(nèi)不超過1.2 m。同時(shí)， 該河段岸坡土體一般為二元結(jié)構(gòu)，上層為粉土或粉質(zhì)黏土（滲透系數(shù)i×10-5～i×10-6? cm/s，i為1～9），下層為粉細(xì)砂或粉質(zhì)黏土。根據(jù)典型斷面各水位和驟降高度組合工況下抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，并綜合各方面因素影響，大體上確定對(duì)粉土從設(shè)計(jì)枯水位+3.5 m驟降2.0 m為最危險(xiǎn)工況;對(duì)黏性土， 從設(shè)計(jì)枯水位+4.5 m驟降3.5 m為最危險(xiǎn)工況。

長(zhǎng)江中下游重要河段典型斷面水位驟降和計(jì)算工況的確定分別見表4，5。

總體上看，對(duì)于長(zhǎng)江中下游沿岸，自上游向下游最危險(xiǎn)水位驟降工況的水位降幅逐漸減小，對(duì)應(yīng)的降后水位越來越接近設(shè)計(jì)枯水位。但對(duì)于大通以下的感潮河段，由于受潮流作用影響，驟降工況應(yīng)取設(shè)計(jì)枯水期與相應(yīng)最大潮差的組合作為最危險(xiǎn)工況。

3 考慮坡腳沖刷地形變化的沖深計(jì)算

關(guān)于最大沖刷坑深度的計(jì)算，筆者曾做過專門的分析[7]。本文從工程設(shè)計(jì)角度提出相對(duì)準(zhǔn)確并有一定安全裕度的工程設(shè)計(jì)處理方法，主要分為以下3種情況。

（1） 對(duì)于河勢(shì)基本穩(wěn)定的河段，河道斷面是長(zhǎng)期沖淤變化的結(jié)果，一般已基本穩(wěn)定，深泓處很難再形成較大沖刷坑[8-9]。此類河段護(hù)岸工程僅是維護(hù)性的加固工程，以應(yīng)對(duì)年內(nèi)、年際沖淤變化而造成的護(hù)岸材料流失。在工程設(shè)計(jì)上，為了保證安全性，可設(shè)置一定方量的防沖備填石。對(duì)于長(zhǎng)江中下游，填石可取5～10 m3，并根據(jù)斷面位置的歷史最大沖深確定方量，接近歷史最大沖深取小值，反之取大值，而不必計(jì)算沖刷坑深度。

（2） 對(duì)于總體河勢(shì)發(fā)生重大調(diào)整，深泓擺動(dòng)甚至易岸的情況，可參照包爾達(dá)可夫局部沖刷公式計(jì)算最大沖刷坑深度，并綜合考慮河道演變成果，兩者取大值。

（3） 對(duì)于總體河勢(shì)雖未發(fā)生重大調(diào)整，但一岸或兩岸發(fā)生持續(xù)沖刷的情況，工程設(shè)計(jì)中可參照包爾達(dá)可夫局部沖刷公式計(jì)算最大沖刷坑深度，并綜合考慮河道演變成果，兩者取小值。

研究河段演變的數(shù)學(xué)模型和物理模型成果可作為參考[10-11]，使上述處理方法更加完善和準(zhǔn)確。

4 考慮枯水期長(zhǎng)期降雨的臨水側(cè)岸坡工況

對(duì)于枯水期長(zhǎng)期降雨工況，主要是根據(jù)長(zhǎng)江水位與同期降雨量的對(duì)比分析來確定最危險(xiǎn)遭遇情況。

4.1 降雨特征

長(zhǎng)江流域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，氣候溫和、濕潤(rùn)多雨、雨熱同季、四季分明、冬冷夏熱。長(zhǎng)江流域主要?dú)夂蛱卣靼ǎ憾竞贝箫L(fēng)、春季低溫陰雨、初夏梅雨、盛夏高溫、秋季秋高氣爽等。

長(zhǎng)江流域降水量年內(nèi)分配不均，主要集中在3～10月，暴雨出現(xiàn)時(shí)間一般中下游早于上游，江南早于江北。暴雨分布的一般規(guī)律為：5月雨帶主要分布在湘、贛水系;6月中旬至7月中旬雨帶徘徊于長(zhǎng)江干流兩岸，中下游為梅雨季節(jié)，上游雨帶呈東西向分布，江南雨量大于江北;7月中旬至8月上旬，雨帶移至四川和漢江流域，上游除烏江降水略有減少外，其他地區(qū)都有所增加，主要雨區(qū)在四川西部呈東北、西南向帶狀分布;8月中下旬，雨帶北移至黃河、淮河流域;9月雨帶又南旋回至長(zhǎng)江中上游，長(zhǎng)江上游降水中心從四川西部移到東部，川西雨量大為減少。

長(zhǎng)江中下游南岸2～3月就開始有暴雨出現(xiàn)，而漢江、嘉陵江、岷江、沱江、烏江則4月才開始出現(xiàn)暴雨;雅礱江和大渡河部分地區(qū)只有在7，8月才有暴雨發(fā)生。暴雨結(jié)束時(shí)間與開始時(shí)間相反，自流域西北向東南推遲。長(zhǎng)江上游和中游北岸大多于9～10月結(jié)束，長(zhǎng)江中下游南岸多于11月結(jié)束。

4.2 水位特征

長(zhǎng)江中下游多年逐月平均水位以12月至次年2月為最枯，5～10月為汛期，水位持續(xù)較高，3～4月為漲水期，11月快速回落。因此，3月和4月將出現(xiàn)枯水期水位與長(zhǎng)期降雨造成的高地下水的最危險(xiǎn)遭遇工況。

根據(jù)三峽工程建成后十余年的沿線水文（位）站3月和4月資料，多年平均水位大體高于設(shè)計(jì)枯水位2～3 m。根據(jù)沿岸的一些已建工程的歷史地勘資料，岸灘附近地下水位一般高于同期長(zhǎng)江水位0～2 m，最高可高于3～4 m。因此，枯水期長(zhǎng)期降雨工況雖然與水位驟降工況發(fā)生原因不同，但計(jì)算條件組合上有較大重合性。

5 結(jié)論和建議

水位驟降工況是岸坡抗滑穩(wěn)定的控制性工況。如果岸坡坡腳沖刷嚴(yán)重，非常運(yùn)用條件下，坡腳沖刷后地形變化的水位驟降期的臨水側(cè)岸坡穩(wěn)定是最危險(xiǎn)工況。工況的確定與水文氣象情況、灘地地形地質(zhì)條件密切相關(guān)，組合條件非常復(fù)雜，本文選取了一些有代表性的典型斷面進(jìn)行初步分析計(jì)算。對(duì)于具體工程設(shè)計(jì)，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，不能簡(jiǎn)單套用本文結(jié)果。

此外，工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分重視岸坡反濾排水的布置。對(duì)于黏性土的填方岸坡，應(yīng)設(shè)置褥墊排水，最好選擇排水性較好的砂性土作為回填土料;對(duì)于黏性土的挖方岸坡，應(yīng)確保貼坡排水功能，間隔布設(shè)排水溝、導(dǎo)濾溝等，應(yīng)選擇透水材質(zhì)護(hù)坡型式;對(duì)于砂性土岸坡，還應(yīng)注重反濾保土，尤其是腳槽部位。

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Study on calculation conditions of bank slope stability of revetment project

SHANG Qin， PAN Wenhao， ZHOU Dongni

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan? 430010， China）

Abstract： In the design of revetment engineering， there is no clear specification basis for the determination of bank slope stability calculation conditions. The calculation conditions formulated with reference to other relevant specifications do not accord with the engineering practice， resulting in inaccurate calculation results. In order to comprehensively analyze the working conditions encountered by the bank slope stability in the actual project and scientifically guide the design of bank protection project， aiming at the complex water and soil boundary conditions of river bank slope， through the comprehensive analysis of relevant influential factors such as water level， rainfall， seepage， load and so on， a relatively reasonable， simple and clear formulation method of bank slope calculation working conditions of bank protection project was proposed. Combined with the specific situation of the bank slope of the middle and lower reaches of the Yangtze River， the recommended calculation conditions and control parameters of some key river sections were given. The research results have reference value for bank slope stability calculation of revetment engineering.

Key words： revetment engineering; bank slope stability; sudden drop of water level; scour pit; high ground water; middle and lower reaches of Yangtze River