堤防加固工程渗流稳定和堤坡稳定计算与措施

闫 磊

（驻马店市练江河水务中心）

1 工程概况

堤防工程建于20 世纪50 年代，设计堤顶高程67.00 m，堤顶宽度3～4 m。1963年大汛时人为扒口，目前已遭破坏，大部分堤身已被夷为平地，仅靠近河道右堤部分留有痕迹。堤防工程处于东亚温带季风气候区，冬季为极地大陆气团所控制，多西北风，干冷少雨；夏季因太平洋副热带高压加强北上，盛行偏南风。

2 堤防加固工程计算

2.1 渗流稳定计算

根据《堤防设计规范》，渗流稳定应进行以下判断及计算：土的渗流变形类型，堤身及堤基土体的渗流稳定；进行堤防背水侧渗流出逸段渗流稳定。

根据河道右堤堤基地质勘察资料，在12.00 m的钻探深度内，均为第四纪冲积地层（Q4al），分布较稳定，自上而下分别为：②黄色重粉质壤土（Q4al）该层平均厚度4.10 m，渗透系数平均值为1.85×10-5cm/s，属弱透水；该单元不固结不排水剪粘聚力可采用16 kPa，摩擦角可采用20°；③黄色重粉质壤土（Q4al）该层平均厚度3.00 m，渗透系数平均值为7.50 ×10-6cm/s，属弱透水；④黄色细砂（Q4al）该层平均厚度1.30 m，渗透系数可采用5.0×10-3cm/s，为中等透水性。地基中②及③均为弱透水地基，④为中等透水性。两层的渗透系数之比＞100 应按均质土堤在双层地基上进行渗流计算。

无限长双层地基公式如下。

CD段：

BC段：

式（1）（2）（3）中：h－弱透水底板承压水头（m）；A－越流系数；k1－弱透水地层渗透系数（cm/s）；k0－强透水地层渗透系数（cm/s）；T0－强透水地层厚度（m）；T1－弱透水地层厚度（m）。

渗流计算选取参数详见表1，计算结果详见表2。

根据《水利水电工程地质勘察规范》可知，堤基土有可能发生流土渗透变形，其流土型渗透变形的临界水力比降所要采用计算公式如下：

式中: Jcr —土的临界水力比降；Gs —土的比重；n —土的孔隙率（%）。

根据土工试验资料可以知道：第⑵单元Gs 为2.73，n 为40.44%堤基土允许水力比降为：J允许=Jcr/m （5）

表1 渗流计算参数表

表2 堤身渗流稳定计算成果表

式中: J允许—堤基土允许水力比降；m—安全系数，取2.00。

将Jcr、m 值代入式中求得第⑵单元粉质粘土J允许=0.51。计算结果表明：堤后靠近堤脚处渗透坡降最大，但仍小于堤基土允许水力比降，满足渗流稳定要求，不需要进行地基处理。

2.2 堤坡稳定计算

由于堤防较长，堤防边坡稳定计算选取堤身较高的堤段作为典型断面进行计算。根据地质勘探报告，右堤堤身土体主要为就地取材人工填土重粉质壤土（Q4al），堤基为第⑵单元重粉质壤土（Q4al）。申店隔堤堤基为第⑵单元重粉质壤土（Q4al）。

各土层物理力学指标详见表3。根据《堤防工程设计规范》，采用瑞典圆弧滑动法进行计算，分为正常工况和非常工况。

2.2.1 正常工况

根据河道行洪特点及蓄滞洪区运用情况，河道在行洪时基本不存在骤降情况，且当蓄滞洪区启用时，水位较高，一般滞蓄洪水时间均在15 d以上，基本能够形成稳定渗流，当蓄滞洪区退洪时，一般退水时间均在10-15 d 左右，基本不存在水位骤降，不再对该工况进行计算。计算设计水位下稳定渗流期的背水坡堤坡。即：卫河右堤设计行洪水位时背水侧堤坡。申店隔堤设计滞洪水位时稳定渗流期背水侧堤坡。

2.2.2 非常工况

非常工况复核施工期的临水侧、背水侧堤坡。由于土体抗剪强度计算方法的不同导致土堤堤坡稳定计算方法也有不同，有总应力法和有效应力法二种计算方法。

2.1.2.1 总应力法

施工期抗滑稳定安全系数可按下式计算：

式中：b－条块宽度（m）；W－条块重力（kN）；β－条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角(度)；φμ－土的抗剪强度指标。

2.1.2.2 有效应力法

稳定渗流期抗滑稳定安全系数可按下式计算：

式中：W1－在堤坡外水位以上的条块重力（kN）；W2－在堤坡外水位以下的条块重力（kN）；Z－堤坡外水位高于条块底面中点的距离(m)；u－稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙压力(kPa)；β－条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角(度)；φ，、c，、φμ、cμ－土的抗剪强度指标。计算成果见表3。

表3 堤防堤坡稳定计算成果表

以上结果可以看出，各堤防断面迎水坡和背水坡的安全系数，均大于规范规定的抗滑稳定安全系数，满足稳定要求。

3 堤防加固工程措施

结合堤防两岸道路情况布设上下堤路口8 处。隔堤穿路段设置上下堤坡道。为防止上下堤坡道损坏堤身及堤顶道路，结合防汛管理，考虑原道路情况，对上下堤坡道硬化为混凝土路面，路面纵坡≤10%。上下堤坡道路基层采用15 cm 厚石灰稳定土，面层采用20 cm厚C25混凝土，路面宽3.50 m。

对于护坡形式选择要坚持因地制宜的原则，对防洪标准高及对景观要求较高的河段可采用雷诺垫、混凝土格栅网等生态护坡；对防洪要求低、洪水量、流速等较小地段可采用经济性较好的草皮护坡。总之要做到既经济与实用，又要美观，相统一。

4 结语

总而言之，在水利工程项目中，要对堤防加固工程予以重视，在坚持安全性、整体性以及因地制宜的原则上，提升施工质量。文章根据工程概况，工期、施工难度、造价等方面，进行技术经济比较，综合分析后选定堤防加固方案，做到理论结合实际，在实际施工时还需要根据各地段特点进行调节，设计和施工单位应紧密协调，做到灵活应对。堤防加固工程建成后，对治理河段人民生命和财产安全、改善当地生态环境以及地区经济发展都将起到重要作用。