臨夏蓮花護岸除險加固工程穩定性分析

趙 鵬

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450003）

0 堤防概況

臨夏縣蓮花護岸作為庫區移民賴以生存的生活、生產的生命線，是當地百姓生產生活重要的安全保障。自修建以來，蓮花護岸幾經除險加固，已運行二十余年，對保障蓮花鎮移民安全生產生活提供了重要保障。但近年來洪水災害對護岸造成沖毀，且局部段護腳破損、護面沉陷等損毀嚴重，嚴重威脅到沿岸庫區移民生命財產安全，為防止水毀擴大保障美麗鄉村建設，臨夏縣提出對蓮花護岸進行除險加固，該工程實施后使得劉家峽水電站庫區臨夏縣蓮花鎮護岸形成完整的防洪體系。

臨夏縣蓮花護岸除險加固工程位于臨夏縣東北部蓮花鎮境內黃河劉家峽水電站水庫末端西南邊緣。臨夏縣蓮花護岸除險加固工程共計4.875 km，根據建設情況主要分四段，包括K0+000～K4+054.53（簸箕溝至關咀溝）段4.054 km，K4+054.53～K4+459.38（關咀溝至苜蓿懷溝）段0.405 km，K4+459.38～K4+625.41（苜蓿懷溝至大草溝）及K4+694.45～K4+841.96（大草溝至路壕溝）段0.314 km，K4+625.41～K4+694.45 及K4+841.96～K4+875.37（大草溝至路壕溝連接）段0.102 km。

1 工程地質

護岸工程區地層巖性主要為第四系地層及新近系地層，主要有：1）第四系人工堆積層（Q4ml）：主要位于護岸岸坡、坡腳及護岸路。護岸路填土以粉土夾少量礫石為主。護岸岸坡及坡腳主要為混凝土及混凝土碎石等。2）第四系全新統粉質壤土層（①Q4al+pl）：為粉質壤土，黃褐色，土質較均勾，孔隙較發育，干～飽和。上部多呈稍濕狀，具搖振反應，5 m以下多為半飽和至飽和狀態、流塑。局部沖溝低洼處發育淤積粉質壤土層，為粉質壤土，黃褐色，土質均勻，粉粒為主，較松散。該層局部夾粘性土條帶或團塊，偶夾小礫石。3）第四系全新統粉質粘土層（②Q4al+pl）：褐紅色，多為可塑～硬塑狀，局部為軟塑，一般位于粉質壤土層以下。厚度一般1m左右，一般以透鏡體發育。4）第四系全新統砂礫石層（③Q4al+pl）：雜色，磨圓度中等，次圓狀，粒徑以2 cm～8 cm 為主，充填物以中、粗砂為主，分選差，礫石含量約占60%～65%，—般呈中密至很密，局部夾有中、粗砂薄層。卵石層厚度一般為5 m～8 m，最大揭露厚度12.20 m。5）新近系臨夏組泥巖夾砂巖（④N）：棕紅色，產狀平緩，構成庫岸基底地層，質地較軟，物理力學強度指標較低。

護岸區內水文地質條件較簡單，新近系泥巖為本區良好的隔水層，含水層主要為第四系沖積含漂石砂卵礫石層，賦存型式以孔隙性潛水為主，其補給型式主要以大氣降水和田間灌溉回歸水及水庫庫水補給為主?？辈炱趦鹊叵滤裆钜话?.33～7.90 m，地下水高程一般1 722.44～1 733.50 m。高水位主要分布于支溝處及附近。

護岸區內水化學類型有HCO3-Mg·（Na+K）型、HCO3-Mg·Ca型、SO4·CL-（Na+K）·Mg 型。PH 值在7.48～8.60 之間，屬于弱堿性水，HSY03水樣SO42-、CL-含量高，該水樣為溝水，可能受上游生活用水排放或生活垃圾影響。由于環境水對混凝土、鋼筋混凝土中的鋼筋和鋼結構結構具有一定腐蝕性，建議采取相應的防治措施。

護岸區內無大型滑坡及塌滑體，主要發育黃土沖溝侵蝕及陡坎前緣淺表塌落，規模小，對工程無影響。臨夏區屬季節性凍土區，臨夏蓮花鎮凍土深度較厚，約為100 cm。在冬季現有堤防上部土層及混凝土面板可能發生凍脹破壞。

護岸主要工程地質問題評價：①地震液化：護岸區內可能液化地層為粉質壤土層。本工程粉質壤土粘粒含量10.60%－29.50%，平均粘粒含量16.50%，初判為可能液化地層，根據液性指數試驗指標，液性指數平均值為0.10，復判為不液化，綜合判斷該地層液化可能性小。②滲透變形：根據水利水電工程地質勘察規程中關于土的滲透變形判別（附錄G），地基土地粉質壤土和粉質粘土滲透變形為流土型；砂礫石層為管涌型。根據試驗成果，結合工程經驗，粉質壤土的允許水力比降建議值J允許=0.35-0.4，粉質粘土的允許水力比降建議值J 允許=0.4-0.5；砂礫石層允許水力比降建議值J允許=0.1-0.15。③地基土沉降變形：據室內試驗成果，粉質壤土層及粉質粘土壓縮系數多在0.1-0.4之間，多屬于中壓縮性土，土層分布整體較均勻，由于地基土體的壓縮模量局部有所差異，地基可能產生沉降變形，建議應進行相應的處理，在附加荷載較小的情況下，不會發生較大的沉降和不均勻沉降變形。④濕陷性：上部粉質壤土為沖洪積黃土狀土，據室內試驗成果，200 kPa壓力下濕陷系數為0.004-0.032 之間，濕陷系數大于0.015 主要位于上部3 m以上的原狀地層，故未擾動土上部3 m 一般具有濕陷性，建議對新建護岸段上部原狀地層進行相應的工程處理?，F狀護岸地層取樣濕陷系數小于0.015，不具濕陷性。⑤沖刷淘蝕：護岸土層主要為粉質壤土，抗沖刷能力低。洪水期的沖刷淘刷，易引起堤基沖刷坑的形成，進而導致堤身的坍塌等問題。目前護岸工程主要為混凝土面板護岸和混凝土塊體護岸，臨水區有護腳，受庫水位變化影響，混凝土面板下部受沖刷淘蝕影響，以面板局部脫落，護腳變形及開裂表現為主。⑥庫岸穩定性：新建護岸段為兩處支溝處，小樁號擬新建護岸支溝寬約16 m，高程1 730 m，兩岸臺階高程1 740 m～1 745 m，溝內地形平緩，該支溝上部設有灌溉排水渠，灌溉水沿支溝下排；大樁號擬新建支溝寬約38 m，兩岸臺階高程1 736 m～1 742 m。距離現狀庫水位大于200 m，兩處支溝處兩岸近直立，巖性為粉質壤土。劉家峽水庫正常蓄水位1 735 m，擬新建護岸處于水位變動區范圍，護巖巖性為粉質壤土，抗沖刷淘蝕能力差，不防護情況下，易塌岸，有必要進行護岸防護。

2 護岸加固設計

根據現狀調查情況，現狀破損嚴重段大部分集中于現澆混凝土板段，沖刷淘蝕造成護面破損，局部嚴重段落甚至淘蝕堤身，考慮護岸及堤防的整體穩定性，擬對破損嚴重段進行整段拆除重建?？紤]風浪淘蝕對砂礫墊層及堤身的破壞，將原混凝土護面及砂礫墊層拆除，并根據堤身現狀破壞程度，挖除墊層以下30～50 cm厚填土，堤身開挖后重新回填夯實，護面坡度設計為1：1.75。

1 732.50 m 以下段：重建護面采用格賓石籠生態護岸，厚度采用50 cm，下鋪設30 cm厚砂礫墊層及350 g/m2的土工布以起到反濾作用。

1 732.50 m～現狀硬質堤頂：采用植生型護墊防沖刷，采用高性能生態基材噴播技術快速成坪綠化，坡度采用現狀護岸坡度。

現狀硬質堤頂～培厚加高堤頂：土方填至同現狀硬質護岸同坡度，采用高性能生態基材噴播技術快速成坪綠化，表面采用加筋麥克墊防沖刷。

3 堤防穩定計算

3.1 計算斷面選取

每1 km 選取1 個最不利斷面作為代表進行滲流穩定和抗滑穩定分析，選擇原則是堤身較高或地質狀況較差的薄弱斷面。此次設計共選取4個斷面進行計算，樁號分別為0+034.5、2+078.5、3+202.5及4+754.8（新建段）。

根據地質勘察成果，各計算斷面堤身填筑土、堤基土層地質參數見表1。

表1 計算斷面穩定計算地質參數表

3.2 計算工況

按照《堤防工程設計規范》（GB50286～2013）的有關規定，選擇以下工況進行計算：①工況一（設計洪水位工況）：設計洪水位1 735.00 m下的穩定滲流期或不穩定滲流期背水側堤坡；②工況二（驟降工況）：設計洪水位1 735.00 m 24 h內水位驟降3 m的臨水側堤坡；③工況三（地震工況）：設計洪水位1 735.00 m時遭遇0.15 g 地震力的臨水側及背水側堤坡；④工況四（施工工況）：施工期1 726.00 m水位下的臨水側及背水側堤坡。

3.2.1 滲流穩定分析

依據規范規定，滲流在背水坡坡腳出現所需時間T由下式確定：

式中：K—本次設計堤防的滲透系數（m/s）；n0—本次設計土的有效孔隙率；n—本次設計土的孔隙率；SW%—飽和度。

黃河上游洪水漲落較緩，歷時較長，洪次較少，間隔較長，堤防在汛期擋水時間長，能形成穩定滲流。

滲流計算采用《水工結構有限元分析系統》（AutoBANK 7.079）計算，通過輸入土的不同參數，采取有限元法進行計算，并以此生成堤防浸潤線，作為滲流穩定計算的一個依據。滲流穩定計算結果見表2。

表2 滲流穩定計算成果表

經計算，堤防加固后選取的計算斷面的平均出逸比降均小于其允許出逸比降，不會發生管涌及流土等滲透破壞。新建段位于大草溝、路壕溝中，上下游水位差大，出逸比降大，易造成滲透破壞，對該段設置戧臺壓滲。

戧臺高3.00 m，寬5.00 m，坡比1：3，戧臺坡腳設反濾層，設置戧臺后出逸比降下降至0.076，滿足防滲要求。

3.2.2 抗滑穩定分析

此次設計為5 級堤防，依據規范要求，正常運行情況下最小穩定系數為1.10，非常運用情況下最小穩定系數1.05。采用瑞典圓弧法進行計算。

抗滑穩定計算結果見表3。

表3 抗滑穩定計算成果表

經計算，不同工況下，堤防臨、背水側邊坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

3.2.3 沉降計算

堤防加高后地基附加應力使地基產生沉降變形，壓縮變形S2按下式計算：

式中：S2—未加固土層的壓縮變形量（mm）；ψS—沉降計算經驗系數；p0—附加壓力（kPa）；ESi—本次設計堤防底第i 層土的壓縮模量（MPa）；zi、zi-1—本次設計堤防底到第i、i-1 層的距離（m）；a-i、a-i-1—本次設計堤防底計算點到第i、i-1 層范圍內的平均附加應力。

本次仍選取0+034.5、2+078.5、3+202.5 及4+754.8 四個典型斷面復合地基承載力及沉降變形。

經計算，樁號0+034.5、2+078.5、3+202.5及4+754.8地基應力分別為133.53 kpa、51.55 kpa、45.22 kpa、127.42 kpa，均小于140 kpa，滿足地基承載力要求。

樁號0+034.5、2+078.5、3+202.5 及4+754.8 地基沉降量分別為101.13 mm、79.07 mm、60.65 mm、110.62 mm，堤防不同段最大沉降小于150 mm，滿足規范要求。

4 結語

文章基于臨夏護岸除險加固工程實例，查明護岸工程地質，通過對護岸加固方案，而后進行穩定性分析，滿足設計規范要求。通過研究分析，得出主要結論如下：①護岸除險的主要因素為風浪沖刷淘蝕、硬質護岸延展性差。②為保證護岸的穩定以及維持黃河護岸的生態性，表面采用抗沖刷強度高的加筋麥克墊，常水位以上采用高性能生態基材噴播技術快速成坪綠化。