黃河下游標準化堤防工程堤頂寬度設計探討范文

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《黃河水利職業技術學院學報》2017年第1期

［摘要］充分考慮黃河堤防土體參數隨機變異性的基礎上，基于非飽和滲流理論及黃河下游堤防滲透、強度的隨機性試驗研究成果，采用GEO-STUDIO軟件與自編Fortran程序，應用邊坡穩定隨機分析理論建立堤頂寬度分析方法，計算與評價邊坡穩定安全區域分布范圍，據此提出黃河堤防堤頂寬度設計應大于12m。

［關鍵詞］堤防工程；堤頂寬度設計；黃河下游；標準化堤防

0引言

近年來汛期，黃河下游堤防工程出現了不同程度的滲水險情。險情的發展具有隨機性，從發現險情到開始搶護需要一定時間。堤頂寬度必須具有一定的寬度，以便于抗御設計標準的洪水，除滿足堤身穩定要求外，還應滿足防汛搶險交通、工程機械化搶險及工程正常運行管理的需要。因此，為保證堤防安全，需要合理設計堤防工程堤頂寬度。

1計算工況、斷面及參數的選取

1.1計算工況

根據GB50286-98《堤防工程設計規范》條文說明第8.2.2條規定中對堤防穩定計算的要求，結合黃河下游堤坡穩定的實際情況，計算擬先選取黃河下游堤防的平工、險工、老口門段具有代表性的6個斷面，采用GEO-STUDIO軟件中的SEEP及SLOPE模塊計算設計洪水位驟降期的臨水側堤坡的穩定性，模擬水位驟降的滲流過程，搜索不同堤頂寬度的最危險滑弧面，利用可靠度理論的蒙特卡羅法得出臨河堤頂不同部位的失效概率，結合相關的評判標準，確定堤頂穩定范圍。

1.2計算斷面及參數

1）計算斷面選取。為充分論證影響黃河大堤臨河堤坡穩定堤頂寬度范圍，根據計算斷面的選取原則，選擇以下典型斷面進行下一步的計算分析。①險工段：山東齊河程官莊險工董家寺79+850斷面、河南新鄉原陽139+700斷面；②平工段：河南段的武陟張菜園87+000斷面、新鄉封丘167+200斷面、山東段濟南章丘83+500斷面；③口門段：章丘興國寺70+600斷面。

2）臨河沖坑深度及堤頂最大荷載的概化參數選取。堤防臨河堤腳處由于歷次洪水的沖刷普遍具有沖坑，沖坑的深淺主要隨水流的垂線平均流速、水流與堤岸軸線的夾角變化較大。

3）模型計算參數選取。黃河大堤土體可分為粘土、壤土、砂壤土、粉土、粉砂、細砂、砂土七類土，各類土體滲流計算參數根據黃科院沈細中、趙壽剛、蘭雁等的研究成果選取。

2堤坡失穩風險概率判別標準

失效概率是評價結構可靠性的尺度，黃河大堤邊坡的允許失效概率如何確定，目前還沒有一個針對性的明確標準。黃河大堤堤身土體組成主要以砂壤土、壤土為主，砂性含量較高，洪水期水位驟降時破壞大部分以沿堤坡或堤頂滑塌形式發生，參照GB50199-94《水利水電工程結構可靠度設計統一標準》、GB50286-98《堤防工程設計標準》和以往黃河水利科學研究院對黃河大堤研究成果，認為不同大堤斷面模型風險評判要求是有差異的。因此，根據堤防概化模型斷面風險度要求不同，提出以下堤坡失穩概率判別標準：

1）對于無沖坑、荷載一般斷面。失效概率值小于0.1%，則風險度較低，如大于0.1%失效風險度較高。

2）對于有沖坑、荷載特殊斷面。失效概率值小于5%，則堤坡失穩的風險度較低，如大于5%堤坡失穩的風險度較高。

3計算模型及成果

3.1邊坡穩定計算模型

臨河堤坡穩定計算根據規范采用瑞典弧滑動法，為保證可靠度計算精度，抽樣數即計算次數取10萬次。

3.2計算成果

以新鄉封丘167+200斷面為例，基于蒙特卡羅法計算堤頂不同寬度失效概率成果。

4臨河堤坡失穩區域分析

臨河堤坡失穩區域是在堤頂不同位置失效概率計算成果的基礎上，依據堤坡穩定分析可靠性原理與前述實施方法中提出的判別標準確定的。無沖坑、荷載斷面，以0.1%為允許失效概率，失效概率大于0.1%為失穩區域，反之為相對穩定區域；有沖坑、荷載斷面，以5%為允許失效概率，失效概率大于5%為失穩區域，反之為相對穩定區域。各斷面無沖坑、荷載及有沖坑、荷載臨河堤坡在水位驟降時，堤坡失效概率隨堤頂不同寬度位置變化分布。無沖坑、荷載斷面，平工、險工、老口門不同位置斷面距臨河堤頂起點9.0～11.2m之后失穩風險很小，穩定區域之前臨河堤坡出險幾率相對偏高；有沖坑及荷載斷面，平工、險工、老口門不同位置斷面距臨河堤頂起點10.0～12.0m之后失穩風險相對很小，穩定區域之前臨河堤坡出險幾率較高，最高可達33%。由上述計算分析可得出如下結論：在水位驟降情況下，所設定臨河堤坡無沖坑及荷載情況下，對六斷面失穩區域計算值統計，臨河堤頂前端9.0～11.0m易出險，后端1.0～3.0m仍具有一定的抵御洪水的功能；如設定堤坡臨河有沖坑、有荷載不利組合計算條件下，對6個斷面失穩區域計算值統計，即使允許失效概率提高到5%，臨河側堤頂前端10.0～11.0m仍易出險，后端1.0～2.0m具有一定的抵御洪水的功能，但個別計算斷面堤頂寬度即使為12.0m，斷面前端仍會產生脫坡或塌陷。因此，如汛期及洪水期臨河堤坡仍保證處于穩定狀態，堤頂寬度應至少為12.0m，由于各斷面地質情況復雜，具體設計指標應根據斷面所在位置及地層條件而確定。

5結語

基于指標數據庫中的堤防及淤區土體力學參數概率統計指標，應用邊坡穩定隨機性分析方法，計算與評價邊坡穩定安全區域分布范圍，據此提出黃河堤防堤頂寬度設計應大于12m。堤頂寬度合理設計能充分滿足黃河汛期防洪搶險的需要，確保黃河大堤充分發揮防洪保障線、搶險交通線、生態景觀線等重要功能，科學指導了黃河下游堤防工程的規劃與設計。

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作者：盧芳芳1；陳榮稅2 單位：1．鄭州市尖崗水庫管理處，2.南陽水文水資源勘測局