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摘要：为了验证某电站工程防洪堤结构设计变更的可行性与合理性，采用水工结构有限元分析软件Autobank对某区两段2级堤防进行渗流稳定计算分析，结果表明：①两段堤防的渗流出口最大渗透坡降分别为0.051和0.033，均在允许坡降范围内；②防洪堤的单宽渗流量和累计渗流量很小，对电站库区蓄水没有影响；③两段堤防在3种不同运行工况下的边坡安全系数均大于规范要求的最小值。说明本次两段堤防的结构变更设计是合理可行的。
关键词：防洪堤；Autobank；渗流稳定；安全系数
1工程概况
某电站工程坝址位于某渡河段，主要建筑物由非溢流坝、冲砂、泄洪和进水闸、厂房、船闸和防洪堤等组成。为配合某电站工程发挥效益，保障水工建筑物的安全，需沿河修建防洪堤，库区防洪堤和库区排涝工程共布置堤防总长30km。根据GB50201—2014《防洪标准》相关规定，对两段堤防的防洪标准（洪水重现期）采用50年一遇，对该区其他堤防的防洪标准为20年一遇。根据GB50286—2013《堤防工程设计规范》相关规定［1］，两段堤防按2级堤防设计，城郊的其他堤防按4级堤防设计。近期对主要的堤身填筑料场进行了实地调查和复核，发现可研阶段选定的砂砾石料场不适合堤防开采，而两段堤防位于堤防保护范围，同样不适合开采。因此，需对原设计的堤防结构设计进行变更，同时，根据要求需对原初设方案变更后的各段堤防结构进行渗流稳定计算分析，以满足工程设计和施工的要求。
2变更方案
2.1①号堤防变更
①号堤采用土工膜心墙斜坡堤，设计防洪标准仍采用50年一遇（P=2%），500年一遇洪水不翻堤，顶高程按照GB50286—2013《堤防工程设计规范》相关要求计算，特征水位采用库区回水计算结果。堤顶高程291.74~292.50m，最大堤高26.0m，堤顶宽6.0m，堤顶路面为25cm厚的C20混凝土路面，路面设1%坡度倾向两侧，以利排水［2-4］。结合航道规划及景观水线布置，为便于堤防马道与副坝段马道相接，马道高程286.50m。桩号左永防0+200～左永防1+000段马道宽3.0m，马道以上坡比1∶1.6，砂卵石碾压填筑，坡面采用植草护坡，设计洪水位以下采用土工格栅防冲，马道以下坡比1∶1.6，采用0.30m厚浆砌卵石护坡，坡脚置于宽0.9m，厚0.6m的C25混凝土趾板上，趾板埋置深度为4m，满足冲刷深度要求，基础面层采用1.0m厚格宾网防冲护面，下游坡坡比1∶1.6，采用石渣填筑。坡面采用框格梁草皮护坡，耕植土厚30cm，坡脚设浆砌卵石排水沟，采用梯形断面，底宽0.5m，边坡1∶1.5。根据概念方案设计景观水线的布置，桩号左永防1+000～左永防3+008段高程286.50m处设一马道，宽度3～100m。对防洪堤堤身填筑进行分区设计；从迎水面至背坡分别为30cm厚的M7.5浆砌卵石面板、顶宽2.0m的砂卵石料填筑区、泥岩石渣料填筑区，迎水面坡比1∶1.0、细粒径砂卵石保护区、泥岩石渣料填筑区。马道以上坡比1∶1.75，坡面采用植草护坡，设计洪水位以下采用土工格栅防冲。马道以下坡比1∶1.6，采用30cm厚M7.5浆砌卵石面板护坡，坡脚置于宽0.9m，厚0.6m的C25混凝土趾板上，趾板埋置深度为4m，满足冲刷深度要求，基础面层采用1.0m厚格宾网防冲护面，下游坡坡比1∶1.6，坡面采用框格梁草皮护坡，耕植土厚30cm，坡脚设浆砌卵石排水沟，采用梯形断面，底宽0.5m，边坡1∶1.5。某电站工程库区正常蓄水位285.50m，堤后地面低于正常蓄水位，需对堤身进行防渗处理。堤身防渗采用复合土工膜+防渗墙的方式。复合土工膜采用两布一膜，土工布采用300g/m2，土工膜厚度1.5mm，两侧各设1.5m宽的细粒径砂卵石保护层。土工膜底部与防渗墙相接。防渗墙采用C25混凝土，厚0.6m，贯穿砂卵石覆盖层至岩土分界线以下0.5m。
2.2②号堤防变更
②号堤采用土工膜心墙斜坡堤。堤顶高程高程292.50~294.54m，最大堤高17.6m，堤顶宽6.0m，堤顶路面为25cm厚的C20混凝土路面，路面设1%坡度倾向两侧，以利排水。结合景观规划及水线布置，增加平台上亲水性植物的种植，及不影响后期改造，故水边线处设置格宾石笼挡墙，挡墙顶高程285.50m，石笼挡墙基础埋置深度4m，满足冲刷深度要求，墙后采用弃渣回填。堤身采用石渣填筑，上游坡比1∶3，采用植草护坡，设计洪水位以下采用土工格栅防冲，下游坡边坡1∶1.6，采用框格梁草皮护坡，耕植土厚30cm，坡脚设浆砌卵石排水沟，采用梯形断面，底宽0.5m。某电站工程库区正常蓄水位285.50m，堤后地面低于正常蓄水位，需对堤身进行防渗处理。堤身防渗采用复合土工膜+防渗墙的方式。复合土工膜采用两布一膜，土工布采用300g/m2，土工膜厚度1.5mm，两侧各设1.5m宽的细粒径砂卵石保护层。土工膜底部与防渗墙相接。防渗墙采用C25混凝土，厚0.6m，贯穿砂卵石覆盖层至岩土分界线以下0.5m。
3计算参数
根据初步设计报告、现场勘查及室内试验结果，得到了该电站工程堤防边坡稳定计算参数，详细计算参数如表1，渗流计算参数如表2，本次稳定计算主要采用河海大学工程力学实验室Autobank7.07（水工结构有限元分析系统）软件［5］，对堤体采用二维渗流有限元法［6-10］进行分析计算，坡体稳定计算工况包括正常运行工况和非正常运行工况，正常运行工况包括正常蓄水位工况和设计洪水位工况，非正常运行工况为水位骤降工况。
4渗流稳定计算结果及分析
4.1渗流计算
表3为该电站工程各段堤防的渗流计算结果，主要包含允许坡降和渗流量。分析可知，本工程的两段防洪堤两段堤防的渗流出口最大坡降分别为0.051和0.033，均在允许坡降范围内，而各段防洪堤的最大单宽渗流量和累计渗流量均很小，不会影响库区蓄水。
4.2堤防稳定计算
4.2.1①号防洪堤
①号堤防稳定计算选取堤轴线上最大断面（桩号1+098.33m）进行分析，计算方法选用目前常用的简化毕肖普法。分析可知：在3种运行工况下，①号堤防迎水面和背水面的安全系数均大于规范最小允许值，其中，最不利工况为非正常运行工况（水位从286.52m骤降至277.52m）时的迎水面边坡，此时最小安全系数仅为1.26，略大于规范最小值1.25。说明变更后的①号堤防边坡稳定性满足规范要求。
4.2.2②号防洪堤
该电站工程②号堤防稳定计算选取堤轴线上最大断面（桩号1+369m）进行分析，计算方法同样采用简化毕肖普法，②号堤防稳定计算成果如表5和图2。分析可知：在3种运行工况下，②号堤防迎水面和背水面的安全系数均大于规范最小允许值，其中，最不利工况为非正常运行工况（水位从286.42m骤降至281.58m）时的背水面边坡，此时的最小安全系数为1.47，大于规范最小值1.25。进一步分析各工况的危险滑裂面，可知在正常运行工况时滑裂面分别位于堤防的两侧，而在非正常运行工况时（水位骤降），迎水面的滑裂面位于格宾石笼挡墙处，这是由于②号堤防迎水面坡比为1∶3，坡度非常缓造成的。稳定计算结果说明变更后的②号堤防边坡稳定性同样满足规范要求。
5结语
（1）对某电站工程防洪堤设计变更方案进行了分析阐述，采用简化毕肖普法对变更后的两段2级堤防①号堤和②号堤进行渗流稳定分析。（2）两段堤防的渗流出口坡降分别为0.051和0.033，均在允许坡降范围内，防洪堤的单宽渗流量和累计渗流量均很小，对库区蓄水没有影响。（3）两段堤防在3种不同运行工况下的边坡安全系数均满足GB50286—2013《堤防工程设计规范》相关要求，说明本次两段堤防的结构变更设计是合理可行的。
作者:吕石源 单位:福建省周宁县水利局
