岐山县渭河综合整治堤防渗流稳定分析

樊辉 1 赵晓峰 2

摘要：本文以岐山县渭河综合整治工程为例，选取岐山县渭河左岸桩号为27+897.5断面作为计算代表断面，通过对渭河综合整治前、后堤防渗流计算、渗流稳定分析、抗滑稳定计算，分析得出：岐山县渭河整治后的堤防在设计流量时不会发生渗透破坏，堤坡安全、稳定。

关键词：渭河；综合整治；堤防；渗流稳定；分析

1.工程实例

岐山县位于陕西省关中平原西部，隶属黄河流域渭河水系。渭河干流岐山段西由蔡家坡镇老堡子村入境，东由蔡家坡镇桃园村出境，流长9.6 km，年过境流量39.86亿m3，平均流量126.39 m3/s，境内年自产径流量484万m3。县境内渭河支流有石头河、麦李河、同峪河3条一级支流。渭河岐山县境内流域面积121km2，河床比降1.13～1.56‰，平均1.37‰，河床平均宽度630m，最大宽度650m，河槽平均宽500m，河床宽深比约为230：1。河流具季节性、多泥沙特征，河谷开阔，河槽宽浅、平坦，洪、枯流量悬殊，水位变幅大。河槽岩性以中粗砂为主，卵石次之。纵向冲淤基本平衡。边滩较多，夹心滩较少，边滩对堤防起很大保护作用。渭河含沙量较大，平均含沙65.2 kg/m3。

渭河岐山段南北两岸长 16.4公里。从 2011年 5月起，历时5年，渭河岐山全段建成了百年一遇的高标准堤防，将河堤路建成旅游观光和防洪保障兼备的畅通大道，对河滩进行了颠覆性治理。重点突出自然性、生态性、亲水性、观赏性、多样性、文化性“六大特色”，建成了河流景观带、滨河休闲带，城市休闲区、原生态保育区、芦苇核心区、水质净化示范区，水生植物繁育基地“两带四区一基地”。2016年 12月，岐山县在全市第一家通过了渭河综合治理 9个项目的竣工技术预验收，至此，岐山县渭河综合整治工程全部完成全线整治设计任务。

2.综合整治前后设防标准、设计参数分析

2.1综合整治前设防标准及设计参数

岐山县渭河综合整治前，依据国家《防洪标准》（GB50201-94）和《堤防工程设计规范》（GB50286-98）及沿岸村庄、人口、耕地等情况，确定渭河防洪工程为农防标准，按“五四”型洪水设防，堤防及其主要建筑物设计等级为4级，洪水流量为5640m3/s。堤防断面分梯形断面和复式断面两种：梯形断面堤防堤顶顶宽7 m，迎水坡坡比1：2.0，浆砌石护坡，坡脚为浆砌石基础和格宾护脚，背水坡坡比1：2.5，用砂石料回填；复式断面堤防堤顶顶宽7 m，迎水坡设护滩平台，宽8m，平台上、下坡比1：2.0、1：1.5，用30c m厚浆砌石砌护，上、下坡坡脚分别为浆砌石基础和格宾基础，背水坡坡比1：2.5，用砂石回填。

2.2综合整治后设防标准及设计参数

岐山县渭河综合整治按照《陕西省渭河全线整治规划》要求，堤防横断面按“100年一遇”洪水设计，堤防设计级别为1级，洪水流量为7530m3/s。堤防横断面设计确定采用梯形断面，在“五四”型洪水设计断面基础上对堤身加高加宽，堤顶宽度20 m，满足双向4车道交通需要。堤顶加高到“100年一遇”洪水位线以上2 m；迎水坡浆砌石维持不变，坡比1：2.0，在基础外设3 m宽平台，平台外下挖、修坡，平台及以下坡面按1：3.0坡比用30c m厚雷诺护垫砌护，护坡下分别作宽浅式格宾基础（宽4 m，高0.8 m）和深埋式格宾基础（宽2 m，高0.8 m）。背水坡坡比1：2.0，上部用砂石料回填，坡下设浆砌石挡墙支护。迎水坡和背水坡未砌护部分种植三叶草绿化。

3.渗流计算及分析

渭河岐山段属渭河中游，该段洪水为季节性特征。本段堤防工程的设计洪水历时一般为3～4天，临水侧为设计洪水位，背水侧为低水位或无水。

依据《堤防工程设计规范》附录E.4.1-1公式计算渗流在背水坡坡脚出现所需时间T，计算的基本假定如下：坝基不透水；浸润线峰面近似呈直线状；略去非饱和土的张力势；

T=(noH/4K)[m1+m2+(b′/H)]2

式中：no=n（1－Sw%），土的有效孔隙率；

K—堤身渗透系数，采用大值平均值（m/s）；

n—孔隙率；

Sw%—饱和度；

当洪水持续时间t＜T时，形成不稳定渗流，浸润线锋面距迎水坡坡脚距离L按下式计算： L=2（KHt/n。）1/2

此工况下计算结果见堤防设计洪水位下渗透计算成果表，表1。

通过对27+897.5代表断面结果分析表明，该段堤防不能形成稳定渗流。

3.1洪水降落时堤身浸润线计算

首先计算K/μv值。当K/μv≤1/10时，

设计洪水位下渗透计算成果表

表1

断面桩号	渗透系数K	B′	T	t	L	备注
	Cm/s	M	H	h	m
27+897.5	4.89×10-3	11.2	45.4	6	7.5

注：t为设计洪峰持续时间。

堤身内渗流自由面在水位降落后仍保持总水头的90%左右，可近似认为堤身浸润线基本保持原位置不变，为偏于安全，可按照水位开始降落前的浸润线位置进行临水侧堤坡稳定分析；当K/μv＞60时为缓慢下降，此时堤身渗流自由面保持总水头的10%以下，已不致影响堤坡稳定，因此一般不需进行临水侧堤坡水位降落稳定计算；当1/10＜K/μv≤60时，浸润线的下降介于上述两种情况之间，为了进行临水侧的稳定分析，按照缓降过程计算浸润线下降的位置。

公式K/μv中：

K— 堤身土料渗透系数（m/d），4.22m/d

V— 水位降落的速度（m/d），根据设计洪水位降落过程计算断面的水位时间曲线确定；2.15m/d

μ—土体的给水度，按《堤防工程设计规范》E.6.1—1式计算。

μ=αn

其中：n—土体的孔隙率，0.382

α—百分数，α=113.7(0.0001175)0.607

(K—渗透系数，4.89×10-3cm/s)

经计算，K/μv=18.98

1/10，浸润线采用《堤防工程设计规范》中公式E.6.1-2计算。

ho(t)/H=1－0.31(t/T)( K/μv )1/4

式中：

H—降距(m)；

T—水位从初始位置至降落到最大降距所需的时间；

t—要求计算上游浸润线的时间，t≤T(s)

按上式给t不同的值，通过试算确定在洪水降落过程中he的最大值，这种情况对临水侧堤坡的稳定最为不利。计算结果见表2。

3.2渗透稳定评价

土的渗透变形类型的判别的判别有多种方法，一般以颗粒级配或细粒含量进行判别。以颗粒级配即土壤不均匀系数判别，此法简便，但准确性差。故本次使用细颗粒含量进行判别。

设计洪水位降落时渗透计算成果表

表2

断面桩号	渗透系数 K(cm/s)	t (h)	v (m/d)	T (h)	降距H (m)	Ho (m)	ho(t) (m)	he(t) (m)
27+897.5	4.89×10-3	24.0	2.15	32	2.32	0.46	1.16	0.52

根据南京水利科学研究院判别公式：

ρ g=α〈n/(1+√n)〉1/2

式中:α—修正系数，取0.95—1.0；

n—土体孔隙率；

ρg—粒径小于或等于2mm的细粒临界质量分数%。

当土体的细粒（粒径d<2mm）含量大于ρg时可能产生流土；当土料的细粒含量小于或等于ρg时，则可能产生管涌。经过对代表断面堤身土料的ρg值进

行计算，其最大值为15%，小于地质报告所提供的相应土料的细粒含量值。可见，本堤段土体的渗透破坏形式只可能是流土。堤身的渗透稳定：

产生流土的临界水力坡降Vcr：

Vcr=(G-1)(1-n)

式中：G—土的比重；

n—土的孔隙率；

经计算：Vcr=1.2，则允许水力坡降V允：

V允=Vcr/2.0=0.6

经对设计洪水降落过程中最不利情况的浸润线分析，实际的水力坡降小于V允。可以得出结论，在此种工况下不发生渗透破坏。在设计洪水持续过程中，由于洪水历时短，洪峰持续期更短，不能形成稳定渗流，即在背水侧边坡不产生渗流逸出点。据有关研究资料，流土只发生于渗流出逸处而不发生在土体内部。故下游边坡不会发生渗透破坏，该段堤防也不产生渗透破坏。

4. 抗滑稳定计算

4.1计算工况

抗滑稳定计算分为正常情况和非正常情况。非正常情况为堤防高水位运行同时遭遇地震的影响，鉴于堤防工程遭遇大洪水的机率小,高水位运行时间短，同时又遇7°及其以上地震的机率更小,依据《堤防工程设计规范》，本段堤防工程不考虑地震影响，故不进行地震情况下上、下堤坡的稳定验算。

堤防抗滑稳定计算仅考虑正常运行情况下，即设计洪水位下不稳定渗流期的背水侧堤坡和设计洪水位骤降期的临水侧堤坡的稳定问题。

4.2稳定计算

堤坡稳定计算严格按《堤防工程设计规范》进行。采用瑞典圆弧滑动计算法（总应力法）计算，并用毕肖普法进行校核。

利用北京水科院边坡稳定计算程序STAB进行计算。本次计算选择了1个典型断面分析计算，其成果见表3。

从表3可以看出，将上下游边坡拟定为1：3.0，1：2.0，堤防加高加宽后的边坡稳定安全系数均大于1.15，满足《堤防工程设计规范》的要求。

稳定计算成果表

表3

代表断面 桩号	综合整治前					综合整治后
	堤高 (m)	坡 比		安全系数		堤高 (m)	坡 比		安全系数
		临水坡	背水坡	临 水坡	背 水坡		临水坡	背 水 坡	临水坡		背 水坡
				水位降落期	设计洪水位非稳定渗流				施 工 期	水位降落期	设计洪水位非稳定渗流
27+897.5	3.2	1:2. 0	1:2.5	1.20	1.36	4.75	1:3	1:2.0	1.24	1.21	1.40

5.结论

岐山县渭河综合整治后的堤防自2016年汛前建成后，已经历多次局部暴雨引发的洪水，实践证明，在设计洪水流量时不会发生渗透破坏，堤坡安全、稳定，基本实现了“洪畅、堤固、水清、岸绿、景美”目标。

参考文献

[1] 袁明国，《堤防工程渗流方面分析》，科技咨询导报 2007.No.03,p48

[2] 罗建宏，郑红英，赵学辉，《堤防工程渗流控制措施分析》，中国水运（理论版），2007.05,p50-51

[3] 刘杰，谢定松，《堤防渗流控制基本原理与方法》，水利水电出版社，2011.10.1

作者简介

樊 辉 （1978-），男，汉族，水利工程师，主要从事小型水利工程的规划、设计与施工管理工作。

赵晓峰 （1978-），男，汉族，水利工程师，一直从事水利工程施工与管理工作。

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