圍海造陸工程中的防滲研究

莊志農

（晉江市圍頭灣開發(fā)建設有限公司，福建 晉江 362200）

0 引言

當前國內圍海造陸的建設項目比較多，在圍填海整體布局上，采取人工島式、分離式、多功能區(qū)塊組合、曲折岸線形態(tài)等的新型圍填海方式居多，如此會形成一定面積的內河（水域），如何保持內河（水域）的常水位，不受外海漲落潮影響，同時在一定程度上還能維持內外水體交換和海洋生態(tài)系統(tǒng)，成為圍海造陸的研究新課題[1]。

福建省某典型的填海造陸工程，造地面積約42 km2，其中形成陸地面積33.64 km2，保留內水域面積8.5 km2（見圖1），回填陸地標高為+4.3 m（85國家高程），水系包括內水域和內湖區(qū)，其中內水域設計底標高為-1.5 m，水面常水位高程為+1.5 m；內湖區(qū)設計底標高為-7.0 m，與外海通過口門連通，水位隨外海潮位漲落而變化。為了形成常水位，在內水域連通外海的出?？诮ㄋl將內水域與外海隔斷。外護岸（包括水閘）是形成內水域常水位的重要防滲屏障，外護岸采用袋裝砂被斜坡堤結構。陸地吹填材料分為砂、淤泥和混合料，均具有一定的透水性，滲流會造成內河水量損失，難以保證實現(xiàn)常水位要求，同時，滲透變形還會造成流土和管涌，因此，需通過防滲計算，考慮采用合適的防滲措施，將滲流流量控制在允許范圍以內。

1 防滲專題研究內容

圖1 工程平面布置圖Fig.1 Layout of theproject

引起滲透破壞的內在因素是滲流的作用，需要通過計算分析或試驗和探測來查明滲流場的分布。滲流控制的任務要求可概括為：控制水頭或浸潤線、滲流坡降或流速、滲流量三者在允許值的范圍內[2]。結合本工程的特點，防滲研究的主要內容：確定防滲計算的邊界條件和計算工況；進行無防滲措施下的滲流計算，論證發(fā)生滲透破壞的可能性，并獲得滲流場水頭分布、浸潤線位置以及24 h的滲流量；分析擬定的防滲措施和方案；進行有防滲措施下的滲流計算，以滲透破壞和滲流流量為控制條件，確定防滲方案。采用ANSYS有限元軟件對滲流進行計算，實際上，ANSYS軟件中并沒有滲流場分析功能，但鑒于滲流場與溫度場具有極大相似性，在ANSYS分析中通常采用熱分析功能對滲流進行模擬計算。分析中只需將溫度場介質換成巖土介質，熱傳導系數(shù)換成滲透系數(shù)，溫度換成滲透水頭，熱流速度換成滲流速度，邊界條件相應地變?yōu)橐阎^分布及滲流速度，即可采用溫度場功能對滲流場進行分析計算[3]。

2 防滲計算工況和計算模型

1）正常工況：內河常水位1.5 m（85國家高程），外海按照多年平均潮位24 h過程線進行非穩(wěn)定滲流計算，模擬正常潮位漲落情況，主要計算滲流流量，并得到內河水位隨時間變化規(guī)律。多年平均潮位24 h對應外海潮位見表1。

表1 多年平均潮位24 h對應外海潮位Table1 The average annual tide level of open seasin 24 h

2）不利工況：內河水位1.5 m，外海按照20 a一遇低潮位-3 m進行穩(wěn)定滲流計算，模擬可能出現(xiàn)的極端潮位。主要計算滲流場水頭、流速以及滲透坡降的分布情況，判斷發(fā)生滲流的主要區(qū)域，為采取有效的防滲措施提供依據(jù)。

3） 計算參數(shù)：原有陸域天然土層滲透系數(shù)k=1×10-5cm/s，陸地回填殘積砂土滲透系數(shù)k=8×10-5cm/s，回填砂滲透系數(shù)k=1×10-2cm/s，回填粉質黏土滲透系數(shù)k=7×10-6cm/s，回填淤泥滲透系數(shù)k=3×10-7cm/s，閘門滲透系數(shù)k=1×10-8cm/s（賦予滲透系數(shù)極小值模擬不透水），防滲體滲透系數(shù) k=1×10-7cm/s（滲透系數(shù)達到 1×10-7cm/s量級即可認為相對不透水）。

4） 計算模型：建立ANSYS三維實體模型，進行網(wǎng)格劃分。

3 無防滲措施滲流計算分析

對滲流場水頭進行不利工況下的穩(wěn)定滲流計算，內河總水頭1.5 m，外海總水頭-3 m，滲流方向從內河流向外海。整個滲流場內水頭成梯度變化，滲流從水頭高處流向低處，在各閘門兩側水頭變化梯度較大。

滲透坡降分析：無防滲措施情況下滲透坡降較大值出現(xiàn)在各個閘門的兩側，其次是在內湖區(qū)北側的狹窄陸域，滲透坡降越大，滲流越集中，閘門兩側是滲流發(fā)生的主要區(qū)域；滲流流速較大值出現(xiàn)在2號閘門東側、3號閘門西側以及4號閘門西側，最大流速1.75×10-5cm/s。本工程可能發(fā)生的滲透變形類型為管涌型，土體顆粒級配不連續(xù)，允許坡降值取0.1，經計算，整體滲流場內滲透坡降最大值為0.098，內湖區(qū)北側的狹窄陸域滲透坡降值為0.015，均小于允許坡降，所以發(fā)生滲透破壞的可能性較小。

滲透流量分析：進行正常工況下30 d非穩(wěn)定滲流計算，可得到內水域水位下降值，并得到內河水位變化規(guī)律[4]。在無防滲措施情況下，滲流量損失較大，導致內水域水位下降迅速，第1天水位下降14.9 cm，水位降至1.351 m；滲流發(fā)生5 d后內河水位基本穩(wěn)定，保持在1.1 m左右，這是由于此時的內河水位與外海平均潮位基本持平，滲流流入和滲流流出相互抵消所致。

4 防滲方案的擬定

根據(jù)上述分析計算，2號閘門東側、3號閘門西側以及4號閘門西側是滲流發(fā)生的重點區(qū)域，即是需要采取防滲措施的重點區(qū)域?？紤]水平防滲措施的防滲效果只有垂直防滲措施的1/3左右，且本工程存在雙向滲流，因此采用常規(guī)的混凝土垂直防滲墻，按照布置范圍的不同分成4個防滲方案。在滲流主要區(qū)域即各閘門兩側設置長100 m的防滲體，以此定為A方案，A方案可以有效減小閘門兩側的集中繞滲，作為建議必做方案。在滲流重點區(qū)域即2號閘門東側、3號閘門西側以及4號閘門西側分別設置長200 m、400 m、600 m的防滲體，以此定為B1、B2、B3方案，此方案可以進一步增大滲流路徑，減小滲流量。

5 防滲方案計算分析

對滲流場水頭進行不利工況下的穩(wěn)定滲流計算，有防滲措施的情況下防滲體改變了閘門兩側的水頭分布，滲流路徑隨防滲體的增長而變長，防滲效果也隨之更好。

滲透坡降分析進行不利工況下的穩(wěn)定滲流計算，防滲體可以有效減小閘門兩側的滲透坡降值，防滲體越長防滲效果越明顯。

對滲流流速進行不利工況下的穩(wěn)定滲流計算，有防滲措施的情況下，防滲體可以有效減小閘門兩側的繞滲，通過增加滲流路徑長度來減小滲流流速值。A方案最大流速2.77×10-6cm/s；B1方案最大流速2.27×10-6cm/s；B2方案最大流速1.89×10-6cm/s；B3方案最大流速1.50×10-6cm/s，都比無防滲方案明顯降低。

滲流流量分析結果：A方案第1天水位下降10.1 cm，B1方案第一天水位下降7.9 cm，B2方案第1天水位下降5.1 cm，B3方案第1天水位下降3.8 cm。防滲體長度越長，防滲范圍越廣，則防滲效果越好。相比較無防滲情況，A方案及B1、B2、B3方案內河達到穩(wěn)定水位所需的時間也依次延長，A方案第7天水位降至1.134 m，B1方案第7天水位降至1.189 m，B2方案第7天水位降至1.238 m，B3方案第7天水位降至1.282 m。

6 結語

根據(jù)無防滲工況下的滲流場水頭、滲透坡降及滲流流速分析，確定了各閘門兩側為滲流發(fā)生的主要區(qū)域，2號閘門東側、3號閘門西側以及4號閘門西側為滲流發(fā)生的重點區(qū)域，在此區(qū)域采用垂直防滲措施，并根據(jù)防滲范圍分為4個防滲方案。綜合分析，A方案可以有效減小閘門兩側的集中繞滲，為建議必做方案。具體防滲措施需根據(jù)內河水位計算結果，并結合內河常水位要求及換水方案來確定經濟合理的防滲方案。