基于SEEP/W程序的堤防截滲墻防滲性能研究

楊揚(yáng)，徐偉，李再興，孫健

基于SEEP/W程序的堤防截滲墻防滲性能研究

楊揚(yáng)1，徐偉1，李再興1，孫健2

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局測(cè)繪地理信息院，河南鄭州450006；2.河南黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州450003）

以沁河河道現(xiàn)狀堤防為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)條件的分析，建立地質(zhì)概化模型，采用地下水滲流程序Geo Studio－Seep／W建立二維有限元模型，分析截滲墻的深度和厚度對(duì)防滲性能的影響。研究結(jié)果表明：截滲墻明顯降低了地下水的浸潤(rùn)面，增加了非飽和土的范圍，同時(shí)減少了高水頭的范圍，對(duì)大堤和堤基土的穩(wěn)定性有利；截滲墻對(duì)斷面流量、出逸高度和出逸坡降都有明顯的降低，而截滲墻厚度對(duì)以上因素的影響不大；全截式截滲墻的防滲效果最好，改變?nèi)厥浇貪B墻的深度，防滲效果沒(méi)有改變，截滲墻厚度為20 cm、深入相對(duì)隔水層1～2m時(shí)，可滿足防滲要求。

沁河；堤防；截滲墻；防滲性能；SEEP／W；有限元分析

0　引言

我國(guó)河流眾多，一般在河流的中下游區(qū)段，由于泥沙的淤積，河床往往高于地面。如，黃河下游就有“地上懸河”之稱。為了防洪的需要，一般需要修建堤防。如果堤基和堤身土質(zhì)較差，在洪水期容易出現(xiàn)管涌、流土等險(xiǎn)情，嚴(yán)重時(shí)會(huì)潰堤，給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。

目前，堤防加固采用較多的方法是淤背固堤。淤背固堤是通過(guò)大型泥漿泵將河道內(nèi)的土方通過(guò)泥漿的形式輸送到大堤的背河，從而加大原有大堤的防洪標(biāo)準(zhǔn)。該方法可有效延長(zhǎng)滲徑，解決堤身和背河堤坡淺基的滲水問(wèn)題。但是，如果加固堤段背河的村莊分布密集，人口較多，采用淤背固堤則會(huì)存在村民搬遷工作量大、費(fèi)用高、工作難度大、實(shí)施困難等問(wèn)題。

截滲墻是采用專用機(jī)械設(shè)備以適量的水泥漿液輸入地下與原狀土攪拌形成墻體的一種堤防加固新技術(shù)，具有有效消除堤防隱患、節(jié)約土地、征地賠償問(wèn)題較輕的特點(diǎn)。同時(shí)，截滲墻在施工中受環(huán)境影響小，受干擾少，所需要人力機(jī)械也較少［1～8］。

本文以沁河堤防為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)條件分析，建立地質(zhì)概化模型，采用地下滲流程序Geo Studio－Seep／W建立二維有限元模型，分析截滲墻的深度和厚度對(duì)防滲性能的影響。

1　理論分析

1.1地下水二維滲流理論

飽和或非飽和土的地下水滲流符合達(dá)西定律，如式（1）所示。

式中：q為流量；k為滲透系數(shù)；i為水力梯度。

對(duì)于二維地下水滲流，可用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：H為總水頭；kx為x方向的滲透系數(shù)；ky為y方向的滲透系數(shù)；Q為邊界流量；θ為體積水容量；t為時(shí)間。

對(duì)于穩(wěn)定流，任何時(shí)刻單元水流入和流出的體積相等，與時(shí)間無(wú)關(guān)。因此，方程（2）右邊等于零，變?yōu)槭剑?）。

1.2地下水二維滲流程序Seep／W簡(jiǎn)介

Seep／W是由加拿大Geo Slope國(guó)際有限公司開(kāi)發(fā)的巖土有限元數(shù)值分析軟件Geo Studio的滲流分析模塊。由于它對(duì)于飽和與非飽和問(wèn)題都能很好地模擬，在國(guó)內(nèi)外的堤壩、水庫(kù)、尾礦庫(kù)等工程的地下水滲流計(jì)算中得到廣泛的應(yīng)用［9～14］。Seep／W的前處理功能可以方便地定義研究問(wèn)題的性質(zhì)、材料屬性、邊界條件和初始條件，處理功能可以方便地繪制滲流矢量圖、總水頭等值線、滲徑、斷面流量及浸潤(rùn)面，同時(shí)也可繪制孔隙水壓力、滲流量與高程、距離和時(shí)間的關(guān)系曲線圖等。Seep／W自帶了24種典型土的非飽和水力參數(shù)，用戶也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)自定義水土特征曲線和滲透性函數(shù)。Seep／W提供的多種邊界條件可以很好地模擬地下水的入滲與排泄。其采用非結(jié)構(gòu)化和全局網(wǎng)格密度的網(wǎng)格劃分技術(shù)，可以自動(dòng)的對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行有限元網(wǎng)格離散化。用戶也可以采用自定義的方法對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化或糙化，以得到更高的計(jì)算精度。

2　工程應(yīng)用

2.1工程地質(zhì)條件

沁河是黃河的一級(jí)支流，河道全長(zhǎng)485 km，平均比降為2.16‰，流域面積為13 532 km2，多年平均徑流量為16.3億m3。沁河出五龍口進(jìn)入下游沖積平原，平均比降為0.51‰。隨著黃河河床淤積抬高，沁河下游從河口向上游也在逐漸淤高。目前，丹河口以下為地上河，一般高出兩岸背河地面2～4m，最高達(dá)8m。

沁河下游河道對(duì)工程有影響的地層為第四系全新統(tǒng)河流沖積層，地層巖性以粉質(zhì)黏土、壤土和沙壤土為主。人工填土包括堤身人工填土、淤背區(qū)吹填土和口門(mén)填土。堤身人工填土主要分布于堤防堤身、戧體、淤臨、淤背等處，填筑厚度在2.5～10.0 m之間，土質(zhì)以壤土、沙壤土為主，夾有黏土塊，總體呈灰黃色～黃褐色，不均勻。淤背區(qū)吹填土以沙壤土、粉沙為主，夾黏土、壤土微薄層，總體呈灰黃色，表層以壤土包邊蓋頂。口門(mén)填土主要分布在歷史口門(mén)堤段，土質(zhì)以沙壤土摻秸料為主，夾雜黏土、壤土和粉沙，因含有大量腐殖物，地層顏色多為灰色和深灰色。第四系全新統(tǒng)沖積層有粉細(xì)沙、沙壤土、壤土、黏土，是堤基土的主要組成部分。

2.2地質(zhì)概化模型

對(duì)沁河堤防的工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析，選取沁河左岸樁號(hào)59＋000的橫剖面作為計(jì)算剖面，概化后的地質(zhì)模型如圖1所示。其中，截滲墻布置在堤身中間位置，各土層的滲透系數(shù)取值如表1所示。

2.3計(jì)算方案

采用極端不利洪水位（河水位與堤頂高程相同）時(shí)大堤及堤基土的地下水滲流進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。此時(shí)，地下水滲流與時(shí)間無(wú)關(guān)?？紤]20 cm、30 cm和40 cm 3種截滲墻厚度，15m、20m（懸掛式截滲墻，截滲墻底端位于粉沙層）、22m（全截式截滲墻，截滲墻底端深入相對(duì)隔水壤土層1.5m）及25m（全截式截滲墻，截滲墻底端深入相對(duì)隔水壤土層4.5m）4種截滲墻深度，設(shè)計(jì)了13種計(jì)算方案，如表2所示。

圖1　堤防地質(zhì)概化模型Fig.1 Geological generalized model of embankment

表1　各土層滲透系數(shù)Tab.1 Permeability coefficient of each soil layers

表2　計(jì)算方案Tab.2 Calculation scheme

2.4有限元模型的建立

采用全局網(wǎng)格密度與三角形、四邊形混合網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)域離散化，共劃分節(jié)點(diǎn)3397個(gè)，單元3309個(gè)，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。

2.5結(jié)果分析

各種不同計(jì)算方案的斷面滲流量、出逸高度及出逸坡降如表3所示，其中出逸高度為出逸點(diǎn)與背河地面的高差。

圖2　堤防有限元模型（方案2）Fig.2 Finite elemen t model of em bankm ent（scheme 2）

表3　計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Calculation results

2.5.1浸潤(rùn)線及總水頭分析

圖3給出了無(wú)截滲墻和全截式截滲墻方案的浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果。從圖3可以看出，在現(xiàn)狀堤防狀態(tài)下，大堤大部分都處于浸潤(rùn)線位置以下；在截滲墻狀態(tài)下，浸潤(rùn)位置降低較多。這說(shuō)明，截滲墻截流效果明顯。另外，浸潤(rùn)線以上的土層處于非飽和狀態(tài)，土體內(nèi)存在基質(zhì)吸力，對(duì)土體穩(wěn)定性有利。所以，截滲墻增加了大堤的非飽和土的范圍，提高了堤基土的穩(wěn)定性。

截滲墻對(duì)大堤及堤基土的滲流場(chǎng)也有明顯的影響。從圖3可以看出，現(xiàn)狀堤防狀態(tài)下，總水頭等值線分布較均勻，大堤和堤基土處于高水頭的范圍大，而截滲墻明顯改變了這一狀況，其高水頭部分主要集中在臨河側(cè)，背河側(cè)總體水頭較低，高水頭的范圍小。因此，大堤及堤基土的孔隙水壓力也較低，其土體的有效應(yīng)力大于無(wú)截滲墻時(shí)的情況，這有利于土體的穩(wěn)定。

圖3　不同計(jì)算方案下的浸潤(rùn)線及總水頭等值線分布圖Fig.3 C ontour maps of saturated sur face and total water head under different calculation schemes

2.5.2滲流量分析

圖4給出了不同方案下的斷面滲流量與截滲墻深度和厚度的關(guān)系曲線圖。從圖4可以看出，斷面流量隨著截滲墻深度的增加而減小，如截滲墻厚度為30 cm、深度為22m時(shí)的滲流量比無(wú)截滲墻時(shí)減少了85.0%，截流效果明顯。但是，當(dāng)截滲墻深入到相對(duì)隔水層后，滲流量并不會(huì)隨著截滲墻深度的增加而改變。截滲墻厚度對(duì)滲流量也有一定的影響，滲流量有隨著截滲墻厚度增加而減小的趨勢(shì)。如，當(dāng)截滲墻深度為22m時(shí)（深入相對(duì)隔水層1.5m），厚度為40 cm的滲流量分別比厚度為30 cm和20 cm時(shí)的滲流量減小了27.2%和42.0%。

2.5.3出逸高度分析

由表3計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)截滲墻深度一定時(shí)，出逸高度與截滲墻厚度無(wú)關(guān)。圖5給出了截滲墻厚度為20 cm時(shí)的截滲墻深度與出逸高度的關(guān)系曲線。由圖5可以看出，出逸高度有隨著截滲墻深度的增加而減小的趨勢(shì)，當(dāng)截滲墻深度為22m（深度相對(duì)隔水層1.5m）和25m（深度相對(duì)隔水層4.5m）時(shí)，地下水均在背河堤腳處出逸，相對(duì)無(wú)截滲墻時(shí)下降了1.30m。但當(dāng)為全截式截滲墻時(shí)，隨著深度的增加，出逸高度保持不變。

圖4　不同計(jì)算方案下滲流量Fig.4 S eepage flow under different calculation schemes

圖5　出逸高度與截滲墻的深度關(guān)系曲線圖Fig.5 Relation curves of exit height and the depth of cut-off wall

2.5.4出逸坡降分析

由表3計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)截滲墻深度一定時(shí)，出逸坡降與截滲墻厚度無(wú)關(guān)。圖6給出了截滲墻厚度為20 cm時(shí)的截滲墻深度與出逸坡降的關(guān)系曲線。由圖6可以看出，懸掛式截滲墻對(duì)出逸坡降沒(méi)有明顯的影響，而全截式截滲墻對(duì)出逸坡降影響明顯。當(dāng)截滲墻深度為22m（深入相對(duì)隔水層1.5m）時(shí)，出逸坡降相對(duì)于無(wú)截滲墻時(shí)降低了72.7%。與出逸高度相似，當(dāng)為全截式截滲墻時(shí)，隨著深度的增加，出逸坡降保持不變。

3　結(jié)語(yǔ)

截滲墻是一種新的堤防加固技術(shù)，能有效減小斷面滲流量，降低浸潤(rùn)線、出逸高度和出逸坡降，同時(shí)具有施工速度快、成本低及占地面積少等優(yōu)點(diǎn)，在堤防加固中具有廣闊的應(yīng)用前景。截滲墻的防滲效果與其深度密切相關(guān)，而受其厚度影響較小。懸掛式截滲墻的防滲效果較全截式截滲墻差，當(dāng)條件具備時(shí)，盡量采用全截式。在全截式截滲墻條件下，當(dāng)截滲墻深度改變時(shí)，其防滲效果并沒(méi)有改變。因此，從經(jīng)濟(jì)和施工方面考慮，當(dāng)截滲墻厚度為20 cm、深入相對(duì)隔水層1～2m時(shí)，即可滿足防滲要求。

圖6　出逸坡降與截滲墻的深度關(guān)系曲線圖Fig.6 Relation curves of exit gradient and the dep th of cut-off wall

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[責(zé)任編輯楊明慶]

Study on Anti－seepage Performance of Embankment Cut－off W all Based on SEEP／W Program

YANG Yang1，XU Wei1，LI Zai-xing1，SUN Jian2
（1.Institute of Surveying Mapping and Geo－information of Henan Bureau of Geo－exploration and Mineral Development，Zhengzhou 450006，Henan，China；2.Henan Yellow River Reconnaissance Design and Research Institute，Zhengzhou 450003，Henan，China）

Based on the study object of Qin river actuality embankment，the geological generalized model was established by engineering geological conditions analysis and two－dimensional finite element model was built through the Geo Studio－Seep／W of underground water seepage procedure.The anti－seepage performance effect factors of cut－off wall’s thickness and depth were analyzed.The results showed that the cutoff wall reduced the seepage surface of underground water，increased the range of unsaturated soil while reduced the high head range which were favorable to embankment and its foundation soil.The seepage flow，exit height and exit hydraulic gradient were reduced significantly by cut－off wall.The full－cut type had best anti－seepage performance，but the thickness had less effect on these factors.When the depth of full－cut type changed，the anti－seepage performance was not changed，so it could meet the anti－seepage requirements when the cut－off wall had the thickness of 20 cm and cutting in the relative impermeable layer with the depth of 1-2 m.Research method can provide a reference to the design of embankment cutoff wall.

Qin River；embankment；cut－off wall；anti－seepage performance；SEEP／W；finite element analysis

TV871

A

1008-486X(2016)01-0001-05

2015－10－22

楊揚(yáng)（1982-），女，河南澠池人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水工環(huán)地質(zhì)方面的工作和研究。