水位降落期堤防上游邊坡抗滑穩定初步研究

康　鋒　陶春潔　李志強

（河南省豫北水利勘測設計院，河南安陽　455000）

水位降落期堤防上游邊坡抗滑穩定初步研究

康鋒陶春潔李志強

（河南省豫北水利勘測設計院，河南安陽455000）

本文通過建立抗滑穩定力學模型分析比較，首次提出堤防水位下降時堤防的最危險滑裂面不斷向上游側偏移。通過抗滑穩定成果對比，提出堤防臨水側邊坡在水位降落初期抗滑穩定較弱。同時闡述了水位下降時最危險滑裂面的變化規律，為管理部門對堤防合理運用提供依據，也為進一步研究堤防臨水面水位下降期邊坡抗滑穩定提供依據。

堤防邊坡；抗滑穩定；分析

1　概述

根據2013年初全國水利普查公報成果，中國堤防總長度為41.37萬km。5級及以上堤防總長27.55 萬km，其中已建堤防長度為26.75萬km，在建堤防長度為0.8萬km。這些堤防保護著河流兩岸廣大范圍內的城鎮和良田，是保護國家經濟和社會發展成果的有力屏障［1］。

堤防的抗滑穩定分析對堤防工程安全運行特別重要?；路€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。這些穩定分析方法可大致概括為兩類:滑動面法和單位應力法?；瑒用娣ㄖ饕且匀鸬浞?、畢肖普和簡布法等為代表的條分法，可用于均質或非均質土坡的計算，工程實際中應用較多［2］。另外，在進行堤防工程邊坡穩定性分析時，需考慮設計洪水位下穩定滲流時的背水側邊坡、設計洪水位驟降時的臨水側邊坡、施工期的臨水和背水側邊坡等，根據不同的工況選擇相應的強度指標和計算方法（總應力法或有效應力法），準確地分析其邊坡是否穩定。

本文計算分析模型選用廣潤坡滯洪區東防洪堤，控制工況為滯洪水位降落期，采用理正邊坡穩定分析系統軟件對堤防臨水側進行計算。首次提出在水位降落過程中，降落初期為邊坡抗滑穩定最不利期，并總結出在水位下降過程中最不利滑裂面的變化規律，為堤防加固及堤防的運行提供了依據。

2　工程概況

廣潤坡蓄滯洪區位于衛河支流湯河、安陽河之間區域，為華北沉積型地層區，是自然洼地。廣潤坡分為一、二兩級蓄滯洪區運用，一級蓄滯洪區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，發生20年一遇設計洪水時，廣潤坡一級蓄滯洪區的最高滯洪水位為57.02m，東防洪堤堤頂高程為58.42m。東防洪堤為加固工程，堤防級別為4級，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，計算斷面堤高為4m。

東防洪堤堤身及堤基為重粉質壤土，土體容重γ 為18.9kN/m3，飽和容重γ飽為20kN/m3，滲透系數k為0.039m/d，給水度μ為0.004。當廣潤坡一級蓄滯洪區通過湯河上四伏廠節制閘退洪時，一般退水時間均在15d左右，因此平均每天降落速度 ν按0.17m/d計算。

3　堤坡抗滑穩定分析

3.1臨水側堤坡抗滑穩定的計算條件

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

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

c.當1/10＜k/μν≤60時，浸潤線的下降介于上述兩種情況之間，堤前水位為一般降落，需要進行上游坡水位降落的穩定計算。為進行上游坡的穩定分析，應按照水位降落過程計算浸潤線下降的位置。

3.2水位降落期堤防浸潤線的計算

根據東防洪堤實測資料計算，廣潤坡東防洪堤k/μν為1.66，屬于水位降落的情況，應進行上游坡水位降落時的穩定計算。按照15d將滯洪區水退完，將水位下降時段劃分為五段來考慮，采用理正滲流分析系統軟件，按不透水地基上無排水的均質土堤公式計算，計算水位降落期的浸潤線如圖1所示。

圖1　水位降落過程浸潤線（單位:m）

從圖1可以看出，水位降落從滯洪水位57.02m開始，按每下降3d計算繪制1條浸潤線，共繪制5條浸潤線。堤身的浸潤線是堤坡抗滑穩定分析的基本數據，因而，浸潤線計算及繪制為下一步分時段計算水位降落時臨水面邊坡抗滑穩定做準備。

3.3水位降落期堤防邊坡抗滑穩定計算

水位降落期堤防臨水面邊坡穩定［4］采用瑞典圓弧滑動計算法，將土體劃分為0.5m寬土條，運用理正邊坡穩定分析系統軟件進行計算。其中與滑動方向相反的土條切向力，可按抗滑力或負的下滑力考慮。土堤堤坡穩定計算方法因土體抗剪強度不同而不同，分為總應力法和有效應力法，水位降落期應采用總應力法，水位降落期滲流期抗滑穩定安全系數可按式（1）計算:

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的距離，m；u——穩定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，

kPa；β——條塊重力線與通過此條塊底面中點的半

徑之間的夾角，（°）；

φ'、c'——土的抗剪強度指標。將滲流分時段數據及圖形導入理正邊坡穩定分析系統軟件，計算并繪制出水位降落3d、6d、9d、12d、15d時臨水面邊坡抗滑穩定圖形，如圖2～圖6所示。

圖2　水位降落3d邊坡抗滑穩定圖（單位:m）

圖3　水位降落6d邊坡抗滑穩定圖（單位:m）

圖4　水位降落9d邊坡抗滑穩定圖（單位:m）

圖5　水位降落12d邊坡抗滑穩定圖（單位:m）

圖6　水位降落15d邊坡抗滑穩定圖（單位:m）

從圖中可以看出:?水位降落3d和6d時，堤防臨水面抗滑穩定安全系數均為1.69，比水位降落9d時安全系數要小，說明水位降落初期抗滑穩定較弱，要注意堤坡抗滑失穩的情況，特別是堤身、堤基材料滲透系數較大等不利穩定因素存在時，應將水位下降初期的降落速度減小，由降落變為緩降，從而防止發生抗滑失穩情況；?水位下降過程中，上游側堤腳處堤基在下降初期并未成為最危險滑裂面，但隨著水位下降過程，最危險滑裂面不斷向上游側偏移，所以在下降中后期應注意上游側堤腳處堤基的抗滑穩定。因而，在工程實際降落過程中，在注意臨水面邊坡穩定的情況下，還應注意上游地基的抗滑穩定，必要時采用鋪設蓋重、土工膜等工程措施［5］來防止降落后期堤基的抗滑失穩。

從下表可以看出，堤防上游水位降落過程中，最不穩定滑裂面和滑動圓心坐標隨著浸潤線的下降而向上游水平偏移，圓弧滑動半徑不斷增大。同時，通過穩定安全系數的變化規律可知，水位下降初期為邊坡穩定的危險階段，應注意堤防臨水側抗滑穩定問題。

水位下降邊坡抗滑穩定成果表　單位:m

4　結語

邊坡的穩定性分析一直是巖土和地質工程研究的熱點和難點。水利堤壩經常由于坡前水位的驟降而出現失穩破壞，這些滑坡現象都與坡體內浸潤線變化密切相關［6］。本文運用理正滲流、穩定軟件，對滯洪區堤防進行分析計算，找出水位降落期臨水面堤坡抗滑穩定的規律。通過分析水位下降時最危險滑裂面的變化規律，為管理部門對堤防合理運用提供依據，為進一步研究堤防臨水面水位降落邊坡抗滑穩定提供基礎。同時，通過數據分析，發現水位降落初期為堤防臨水面堤坡抗滑穩定的最危險階段，所以在進行滯洪區運用過程中，應密切關注運用初期堤防的邊坡變化，適當調整水位下降速度，在保證堤防安全的情況下合理運用滯洪區?！?/p>

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

［2］周建平.中國典型工程邊坡［M］.北京:中國水利電力出版社，2008.

［3］毛海濤.無限深透水地基上土石壩滲流計算與分析［M］.武漢:武漢大學出版社，2014.

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

［5］易少銳，張云天.武漢市童家湖堤險情分析及整治［J］.水利建設與管理，2014（12）:62-65.

［6］趙明華，鄒新軍，蔣德松.邊坡穩定分析及其在堤防工程中的應用［J］.湖南大學學報（自然科學版），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