水位降落期堤防上游邊坡抗滑穩(wěn)定初步研究（水利）
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水位降落期堤防上游邊坡抗滑穩(wěn)定初步研究（水利）
康 鋒 陶春潔 李志強
（河南省豫北水利勘測設(shè)計院，河南安陽 455000）
【摘要】 本文通過建立抗滑穩(wěn)定力學(xué)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(cè)偏移。通過抗滑穩(wěn)定成果對比，提出堤防臨水側(cè)邊坡在水位降落初期抗滑穩(wěn)定較弱。同時闡述了水位下降時最危險滑裂面的變化規(guī)律，為管理部門對堤防合理運用提供依據(jù)，也為進一步研究堤防臨水面水位下降期邊坡抗滑穩(wěn)定提供依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】 堤防邊坡；抗滑穩(wěn)定；分析
中圖分類號：TV871 文章編號：1005-4774( 2016) 05-0022-03
【概述
根據(jù)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(nèi)的城鎮(zhèn)和良田，是保護國家經(jīng)濟和社會發(fā)展成果的有力屏障。
堤防的抗滑穩(wěn)定分析對堤防工程安全運行特別重要�；路�(wěn)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(wěn)定分析方法可大致概括為兩類：滑動面法和單位應(yīng)力法。滑動面法主要是以瑞典法、畢肖普和簡布法等為代表的條分法，可用于均質(zhì)或非均質(zhì)土坡的計算，工程實際中應(yīng)用較多。另外，在進行堤防工程邊坡穩(wěn)定性分
析時，需考慮設(shè)計洪水位下穩(wěn)定滲流時的背水側(cè)邊坡、設(shè)計洪水位驟降時的臨水側(cè)邊坡、施工期的臨水和背水側(cè)邊坡等，根據(jù)不同的工況選擇相應(yīng)的強度指標和計算方法（總應(yīng)力法或有效應(yīng)力法），準確地分析其邊坡是否穩(wěn)定。
本文計算分析模型選用廣潤坡滯洪區(qū)東防洪堤，控制工況為滯洪水位降落期，采用理正邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)軟件對堤防臨水側(cè)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(wěn)定最不利期，并總結(jié)出在水位下降過程中最不利滑裂面的變化規(guī)律，為堤防加固及堤防的運行提供了依據(jù)。
2工程概況
廣潤坡蓄滯洪區(qū)位于衛(wèi)河支流湯河、安陽河之間區(qū)域，為華北沉積型地層區(qū)，是自然洼地。廣潤坡分為一、二兩級蓄滯洪區(qū)運用，一級蓄滯洪區(qū)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(fā)生20年一遇設(shè)計洪水時，廣潤坡一級蓄滯洪區(qū)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(zhì)壤土，土體容重y為18. 9kN/m3，飽和容重y飽為20kN/m3，滲透系數(shù)k為0. 039m/d，給水度
為0.004。當廣潤坡一級蓄滯洪區(qū)通過湯河上四伏廠節(jié)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v按0.17 m/d計算。
3堤坡抗滑穩(wěn)定分析
3.1 臨水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定的計算條件
a．當k/
≤1/10時，此時堤前水位為驟降，堤身內(nèi)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(wěn)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(wěn)定分析。
b．當k/
> 60時，堤前水位緩慢下降，此時堤身滲流自由面保持總水頭1%以下，已不致影響堤坡穩(wěn)定，因此，一般不需要進行上游坡水位緩降的穩(wěn)定計算。
c．當1/10< k/≤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(wěn)定計算。為進行上游坡的穩(wěn)定分析，應(yīng)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(jù)東防洪堤實測資料計算，廣潤坡東防洪堤k/為1.66，屬于水位降落的情況，應(yīng)進行上游坡水位降落時的穩(wěn)定計算。按照15d將滯洪區(qū)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(tǒng)軟件，按不透水地基上無排水的均質(zhì)土堤公式計算，計算水位降落期的浸潤線如圖1所示。
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(wěn)定分析的基本數(shù)據(jù)，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(wěn)定做準備。
3.3 水位降落期堤防邊坡抗滑穩(wěn)定計算
水位降落期堤防臨水面邊坡穩(wěn)定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(wěn)定分析系統(tǒng)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(wěn)定計算方法因土體抗剪強度不同而不同，分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法，水位降落期應(yīng)采用總應(yīng)力法，水位降落期滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按式(1)計算：
式中b------條塊寬度，m；
W——條塊重力，k N；
W1——在堤坡外水位以上的條塊重力，k N;
W2——在堤坡外水位以下的條塊重力，k N;
Z--------堤坡外水位高于條塊底面中點的距離，m;
u——穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，
kPa：
將滲流分時段數(shù)據(jù)及圖形導(dǎo)入理正邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)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(wěn)定圖形，如圖2～圖6所示。
從圖中可以看出：
水位降落3d和6d時，堤防臨水面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均為1. 69，比水位降落9d時安全系數(shù)要小，說明水位降落初期抗滑穩(wěn)定較弱，要注意堤坡抗滑失穩(wěn)的情況，特別是堤身、堤基材料滲透系數(shù)較大等不利穩(wěn)定因素存在時，應(yīng)將水位下降初期的降落速度減小，由降落變?yōu)榫徑担瑥亩乐拱l(fā)生抗滑失穩(wěn)情況；
水位下降過程中，上游側(cè)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(cè)偏移，所以在下降中后期應(yīng)注意上游側(cè)堤腳處堤基的抗滑穩(wěn)定。因而，在工程實際降落過程中，在注意臨水面邊坡穩(wěn)定的情況下，還應(yīng)注意上游地基的抗滑穩(wěn)定，必要時采用鋪設(shè)蓋重、土工膜等工程措施來防止降落后期堤基的抗滑失穩(wěn)。
從下表可以看出，堤防上游水位降落過程中，最不穩(wěn)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(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律可知，水位下降初期為邊坡穩(wěn)定的危險階段，應(yīng)注意堤防臨水側(cè)抗滑穩(wěn)定問題。
邊坡的穩(wěn)定性分析一直是巖土和地質(zhì)工程研究的熱點和難點。水利堤壩經(jīng)常由于坡前水位的驟降而出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，這些滑坡現(xiàn)象都與坡體內(nèi)浸潤線變化密切相關(guān)。本文運用理正滲流、穩(wěn)定軟件，對滯洪區(qū)堤防進行分析計算，找出水位降落期臨水而堤坡抗滑穩(wěn)定的規(guī)律。通過分析水位下降時最危險滑裂面的變化規(guī)律，為管理部門對堤防合理運用提供依據(jù)，為進一步研究堤防臨水面水位降落邊坡抗滑穩(wěn)定提供基礎(chǔ)。同時，通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)水位降落初期為堤防臨水面堤坡抗滑穩(wěn)定的最危險階段，所以在進行滯洪區(qū)運用過程中，應(yīng)密切關(guān)注運用初期堤防的邊坡變化，適當調(diào)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(qū)。
