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黄河下游标准化堤防工程堤顶宽度设计探讨

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《黄河水利职业技术学院学报》2017年第1期

[摘要]充分考虑黄河堤防土体参数随机变异性的基础上,基于非饱和渗流理论及黄河下游堤防渗透、强度的随机性试验研究成果,采用GEO-STUDIO软件与自编Fortran程序,应用边坡稳定随机分析理论建立堤顶宽度分析方法,计算与评价边坡稳定安全区域分布范围,据此提出黄河堤防堤顶宽度设计应大于12m。

[关键词]堤防工程;堤顶宽度设计;黄河下游;标准化堤防

0引言

近年来汛期,黄河下游堤防工程出现了不同程度的渗水险情。险情的发展具有随机性,从发现险情到开始抢护需要一定时间。堤顶宽度必须具有一定的宽度,以便于抗御设计标准的洪水,除满足堤身稳定要求外,还应满足防汛抢险交通、工程机械化抢险及工程正常运行管理的需要。因此,为保证堤防安全,需要合理设计堤防工程堤顶宽度。

1计算工况、断面及参数的选取

1.1计算工况

根据GB50286-98《堤防工程设计规范》条文说明第8.2.2条规定中对堤防稳定计算的要求,结合黄河下游堤坡稳定的实际情况,计算拟先选取黄河下游堤防的平工、险工、老口门段具有代表性的6个断面,采用GEO-STUDIO软件中的SEEP及SLOPE模块计算设计洪水位骤降期的临水侧堤坡的稳定性,模拟水位骤降的渗流过程,搜索不同堤顶宽度的最危险滑弧面,利用可靠度理论的蒙特卡罗法得出临河堤顶不同部位的失效概率,结合相关的评判标准,确定堤顶稳定范围。

1.2计算断面及参数

1)计算断面选取。为充分论证影响黄河大堤临河堤坡稳定堤顶宽度范围,根据计算断面的选取原则,选择以下典型断面进行下一步的计算分析。①险工段:山东齐河程官庄险工董家寺79+850断面、河南新乡原阳139+700断面;②平工段:河南段的武陟张菜园87+000断面、新乡封丘167+200断面、山东段济南章丘83+500断面;③口门段:章丘兴国寺70+600断面。

2)临河冲坑深度及堤顶最大荷载的概化参数选取。堤防临河堤脚处由于历次洪水的冲刷普遍具有冲坑,冲坑的深浅主要随水流的垂线平均流速、水流与堤岸轴线的夹角变化较大。

3)模型计算参数选取。黄河大堤土体可分为粘土、壤土、砂壤土、粉土、粉砂、细砂、砂土七类土,各类土体渗流计算参数根据黄科院沈细中、赵寿刚、兰雁等的研究成果选取。

2堤坡失稳风险概率判别标准

失效概率是评价结构可靠性的尺度,黄河大堤边坡的允许失效概率如何确定,目前还没有一个针对性的明确标准。黄河大堤堤身土体组成主要以砂壤土、壤土为主,砂性含量较高,洪水期水位骤降时破坏大部分以沿堤坡或堤顶滑塌形式发生,参照GB50199-94《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》、GB50286-98《堤防工程设计标准》和以往黄河水利科学研究院对黄河大堤研究成果,认为不同大堤断面模型风险评判要求是有差异的。因此,根据堤防概化模型断面风险度要求不同,提出以下堤坡失稳概率判别标准:

1)对于无冲坑、荷载一般断面。失效概率值小于0.1%,则风险度较低,如大于0.1%失效风险度较高。

2)对于有冲坑、荷载特殊断面。失效概率值小于5%,则堤坡失稳的风险度较低,如大于5%堤坡失稳的风险度较高。

3计算模型及成果

3.1边坡稳定计算模型

临河堤坡稳定计算根据规范采用瑞典弧滑动法,为保证可靠度计算精度,抽样数即计算次数取10万次。

3.2计算成果

以新乡封丘167+200断面为例,基于蒙特卡罗法计算堤顶不同宽度失效概率成果。

4临河堤坡失稳区域分析

临河堤坡失稳区域是在堤顶不同位置失效概率计算成果的基础上,依据堤坡稳定分析可靠性原理与前述实施方法中提出的判别标准确定的。无冲坑、荷载断面,以0.1%为允许失效概率,失效概率大于0.1%为失稳区域,反之为相对稳定区域;有冲坑、荷载断面,以5%为允许失效概率,失效概率大于5%为失稳区域,反之为相对稳定区域。各断面无冲坑、荷载及有冲坑、荷载临河堤坡在水位骤降时,堤坡失效概率随堤顶不同宽度位置变化分布。无冲坑、荷载断面,平工、险工、老口门不同位置断面距临河堤顶起点9.0~11.2m之后失稳风险很小,稳定区域之前临河堤坡出险几率相对偏高;有冲坑及荷载断面,平工、险工、老口门不同位置断面距临河堤顶起点10.0~12.0m之后失稳风险相对很小,稳定区域之前临河堤坡出险几率较高,最高可达33%。由上述计算分析可得出如下结论:在水位骤降情况下,所设定临河堤坡无冲坑及荷载情况下,对六断面失稳区域计算值统计,临河堤顶前端9.0~11.0m易出险,后端1.0~3.0m仍具有一定的抵御洪水的功能;如设定堤坡临河有冲坑、有荷载不利组合计算条件下,对6个断面失稳区域计算值统计,即使允许失效概率提高到5%,临河侧堤顶前端10.0~11.0m仍易出险,后端1.0~2.0m具有一定的抵御洪水的功能,但个别计算断面堤顶宽度即使为12.0m,断面前端仍会产生脱坡或塌陷。因此,如汛期及洪水期临河堤坡仍保证处于稳定状态,堤顶宽度应至少为12.0m,由于各断面地质情况复杂,具体设计指标应根据断面所在位置及地层条件而确定。

5结语

基于指标数据库中的堤防及淤区土体力学参数概率统计指标,应用边坡稳定随机性分析方法,计算与评价边坡稳定安全区域分布范围,据此提出黄河堤防堤顶宽度设计应大于12m。堤顶宽度合理设计能充分满足黄河汛期防洪抢险的需要,确保黄河大堤充分发挥防洪保障线、抢险交通线、生态景观线等重要功能,科学指导了黄河下游堤防工程的规划与设计。

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作者:卢芳芳1;陈荣税2 单位:1.郑州市尖岗水库管理处,2.南阳水文水资源勘测局

黄河水利职业技术学院学报责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次