黃河大堤放淤固堤的滲透穩(wěn)定性研究

□董莉莉（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

□閆倩倩（河南省人民勝利渠管理局）

□劉許超（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

黃河大堤放淤固堤的滲透穩(wěn)定性研究

□董莉莉（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

□閆倩倩（河南省人民勝利渠管理局）

□劉許超（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

本文針對(duì)黃河大堤存在的裂隙、孔洞等隱患，采用有限元滲流方法對(duì)各種可能存在的隱患進(jìn)行模擬，研究不同隱患對(duì)黃河大堤的滲透穩(wěn)定性的影響，同時(shí)對(duì)黃河大堤采用的放淤固堤的加固措施進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：各種隱患的存在加大了黃河大堤滲透破壞的可能，而放淤固堤的加固措施能夠有效地減小這種可能，使大堤的滲透穩(wěn)定性明顯提高。

黃河大堤；滲透穩(wěn)定；放淤固堤

1.前言

黃河是多泥沙河流，洪水進(jìn)入下游后，泥沙不斷淤積使河床抬高，形成地上懸河。解放后大堤不斷加高，目前大堤一般高出地面10米左右，臨背懸差3～5m，最大達(dá)10多米。由于黃河大堤堤身土料多為砂壤土、粘土、壤土混摻組成，土質(zhì)極不均勻。根據(jù)歷史險(xiǎn)情、隱患探測(cè)的成果和鉆孔中漏水漏漿情況，加上室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)定的堤身土的粘粒含量、干密度和滲透系數(shù)等指標(biāo)，充分說明堤身填筑質(zhì)量不好，存在裂隙、松散體、孔洞等現(xiàn)象，這些問題的存在對(duì)黃河大堤的正常運(yùn)用存在嚴(yán)重的威脅，特別是洪水期，一旦有大洪水，出現(xiàn)險(xiǎn)情的可能性大且出險(xiǎn)位置的隨機(jī)性很大，不易搶堵。所以，對(duì)黃河大堤必須進(jìn)行加固處理，消除堤身和堤基隱患。黃河堤防加固主要是解決堤防潰決問題，因此對(duì)于堤身，不僅應(yīng)滿足滲流穩(wěn)定要求，還要消除因填筑不實(shí)、土質(zhì)不良、裂隙、松散體及孔洞等隱患引起的堤身破壞；另一方面由于黃河下游堤基復(fù)雜，洪水期容易形成集中滲流，出現(xiàn)滲透變形，甚至對(duì)堤防造成破壞。也要防止堤基問題引起的流土、管涌等破壞。

為減少黃河大堤險(xiǎn)情，曾采用了多種除險(xiǎn)加固工程措施。特別是近廿年來，在有條件的堤段，采用了放淤固堤的工程措施。放淤固堤是利用挖泥船或泥漿泵抽取河道或?yàn)﹨^(qū)的泥沙，輸送到堤防背河側(cè)，培厚大堤斷面，延長(zhǎng)滲徑長(zhǎng)度。本文針對(duì)黃河大堤存在的主要隱患類型進(jìn)行模擬計(jì)算，分析其對(duì)黃河大堤的滲透穩(wěn)定的影響，同時(shí)對(duì)放淤固堤的效果進(jìn)行計(jì)算分析，得到了一些有用的結(jié)論。

2.滲流有限元計(jì)算的基本原理

求解大壩、堤防等問題的滲流場(chǎng)歸結(jié)為：滲流符合達(dá)西定律，求解滿足一定邊界條件的拉普拉斯方程的解答（穩(wěn)定流），即

式中：kx，ky，kz—沿 x,y,z方面的滲透系數(shù)；

H—點(diǎn)（x,y,z）的水頭值。

對(duì)于平面問題，可以得到變量H的拉普拉斯方程：

一般情況下，滲透系數(shù)可看成均質(zhì)的和各向同性的，所以，就得到：

此式在一定邊界條件下，就有一組唯一的解。

3.實(shí)例計(jì)算

采用山東黃河的某一斷面，經(jīng)過實(shí)際檢測(cè)考慮以下7種工況進(jìn)行計(jì)算：（1）大堤質(zhì)量完好，無裂縫和松散體；（2）大堤內(nèi)存在松散體。根據(jù)檢測(cè)，松散體在堤頂向下大概4.8～9.6m的范圍內(nèi)分布，考慮松散體貫通大堤1/2，認(rèn)為松散體沿河向的范圍較寬，按平面問題計(jì)算；（3）松散體在大堤內(nèi)貫通 2/3；（4）在（3）的情況下，對(duì)背河側(cè)采用放淤固堤措施進(jìn)行加固，該工況取放淤寬度為80m。放淤的頂部取比臨河設(shè)計(jì)水位高1m，坡度和大堤坡度相同；（5）放淤寬度取100m時(shí)的工況；（6）有孔洞存在時(shí)，放淤寬度取為80m；（7）有孔洞存在時(shí)，放淤寬度取為100m。

該斷面的地質(zhì)剖面圖如圖1、圖2。

有限元計(jì)算范圍考慮如下：在臨河側(cè)延伸約100m，背河側(cè)延伸約110m，豎直方向取到大堤高度的3倍左右。剖分時(shí)按照地層分布進(jìn)行。

上下游水位為：臨河側(cè)水位27.89m，背河側(cè)水位24.76m。

圖1 地質(zhì)剖面圖

圖2 有限元網(wǎng)格圖

計(jì)算結(jié)果如下：

4.結(jié)論

（1）由于松散體、孔洞等隱患的存在，使得堤身內(nèi)水頭的衰減集中在出滲點(diǎn)附近，出滲點(diǎn)位置升高，增大了出滲點(diǎn)的滲透比降，使得大堤的滲透穩(wěn)定性趨于危險(xiǎn)；

表1 各計(jì)算工況下的背河外坡出逸點(diǎn)高程、滲流量和最大滲透比降表

（2）由于土層的均勻性，出滲比降的分布也較均勻，都在溢出點(diǎn)附近集中，并達(dá)到最大；

（3）有松散體的情況下，背水側(cè)進(jìn)行放淤加固后，不僅降低了溢出點(diǎn)的高程，還使得浸潤(rùn)線和水頭的分布更趨于平緩，有效地降低了大堤最大出滲比降；

（4）在孔洞存在的工況下，淤背的設(shè)置也能夠降低溢出點(diǎn)的高程和大堤滲出的水量，在出滲點(diǎn)附近的最大滲透比降也能夠降低很多，特別是在100m淤背的情況下效果更好。

所以，采用放淤固堤的方案對(duì)黃河大堤進(jìn)行加固，能夠有效降低大堤的最大滲透比降，減小滲漏量，提高大堤的滲透穩(wěn)定性，是一種經(jīng)濟(jì)、方便又有效的黃河大堤加固措施。

2012-09-28