基于有限元模擬的潰修段堤防局部沉陷成因分析

張 鵬，王 建，彭澤豹

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

在我國(guó)，堤防工程已成為重要的防洪工程，但由于自身的復(fù)雜性以及施工技術(shù)的限制，堤防工程在運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生滲水、管涌、散浸等險(xiǎn)情，尤其對(duì)于某些填筑質(zhì)量較差的堤防，堤防邊坡容易產(chǎn)生局部沉陷問題。因此需及時(shí)判別險(xiǎn)情成因，采取相應(yīng)加固措施，避免險(xiǎn)情進(jìn)一步擴(kuò)大[1]。目前，對(duì)于堤防險(xiǎn)情分析主要有兩種方式，其一是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、總結(jié)歷年險(xiǎn)情并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判別分析[2]，其二是通過有限元計(jì)算進(jìn)行分析[3]。但對(duì)于分析土工膜缺陷引起的局部沉陷險(xiǎn)情，上述兩種方法均有一定的局限。

土工膜作為防滲效果較好、成本較低的防滲材料，其應(yīng)用越來越廣泛。但土工膜在生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)施工過程中易發(fā)生破損，故在高水位長(zhǎng)期作用下，土工膜破損部位易發(fā)生滲透變形，進(jìn)而引發(fā)局部沉陷、管涌等險(xiǎn)情，并且隨著土工膜應(yīng)用地越來越廣泛，由土工膜缺陷引發(fā)的險(xiǎn)情也必將增多，但目前對(duì)于該類險(xiǎn)情的成因分析缺乏有效的方法及手段。

本文在此基礎(chǔ)上，以某潰修段堤防為例，針對(duì)其運(yùn)行過程中出現(xiàn)的迎水坡局部沉陷問題，綜合利用有限元模擬分析、地質(zhì)勘探、沉降及水位監(jiān)測(cè)、雷達(dá)隱患探測(cè)方法，對(duì)沉陷險(xiǎn)情做出綜合分析，并提出合理加固措施。

1 堤防及沉陷基本情況

本文研究的堤防位于黑龍江干流，全長(zhǎng)約750 m(樁號(hào)0+0～0+750)，其中450 m為潰口重修段(樁號(hào)0+150～0+600)，潰口最大深度達(dá)15.8 m，堤防搶險(xiǎn)施工斷面圖見圖1。

圖1 潰修段堤防斷面圖(單位：cm)Fig.1 Section of the repaired embankment

由圖1可以看出，潰口中心段采用風(fēng)化料進(jìn)行填筑，兩側(cè)用砂性土填塘固基，最上層為砂性土加高層；迎水坡坡腳設(shè)置了水泥土多頭攪拌樁防滲墻，深度約16 m；從防滲墻至迎水坡坡頂布置防滲土工膜，與防滲墻組成完整防滲體系。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在堤防段樁號(hào)0+490附近，汛期水位降落后，發(fā)現(xiàn)該處出現(xiàn)明顯塌陷，涉及范圍自坡腳至距堤頂1/3高度，中心部位沉陷達(dá)40 cm。

為探明堤防地質(zhì)情況，分別在堤頂兩側(cè)及背水坡坡腳鉆孔取樣分析。根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，該堤段所處地層為第四系松散堆積層，堤防土體主要由級(jí)配不良細(xì)砂、級(jí)配良好粗砂構(gòu)成，屬于中等透水-強(qiáng)透水物質(zhì)，勘察期間可見堤身內(nèi)存在大量碎石、卵石、礫石等，堤防滲透系數(shù)較大，抗?jié)B穩(wěn)定性較差，高水位作用下容易發(fā)生滲透變形。但堤防邊坡較緩(坡度1∶4)，且土體內(nèi)摩擦角較大，故抗滑穩(wěn)定性較好，不易發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)。

堤防監(jiān)測(cè)過程中，在堤防背水坡坡頂及背水坡坡腳分別布置21個(gè)水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)，堤頂測(cè)點(diǎn)編號(hào)為DS1-DS21，堤腳測(cè)點(diǎn)編號(hào)為DX1-DX21，堤腳與堤頂?shù)臏y(cè)點(diǎn)編號(hào)分別對(duì)應(yīng)。沉陷部位位于測(cè)點(diǎn)DS17-DS18之間，堤頂測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線見圖2。從中可以看出，正常情況下各測(cè)點(diǎn)沉降值均勻增加，連續(xù)變化，且沉降速率逐漸減小，趨于穩(wěn)定，最大沉降值不超過12 mm；但沉陷處附近測(cè)點(diǎn)DS17與DS18的沉降值相比其他測(cè)點(diǎn)較大，最大沉降值達(dá)18 mm。

圖2 堤頂測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線Fig.2 The settlements changing curves of measuring points on the top of embankment

2 土工膜缺陷模擬及沉陷機(jī)理分析

實(shí)際中，導(dǎo)致堤防發(fā)生局部沉陷的原因很多，針對(duì)本文研究的堤防，推測(cè)局部沉陷的發(fā)生與土工膜破損有關(guān)。本節(jié)利用有限元模擬土工膜缺陷，計(jì)算高水位下堤防滲流場(chǎng)及土工膜破損處滲透坡降值，進(jìn)而判斷推測(cè)的合理性，并分析確定堤防局部沉陷機(jī)理。

2.1 缺陷模擬形式

對(duì)于土工膜缺陷的模擬，目前主要按形狀分為形狀不規(guī)則的孔(洞)狀缺陷和長(zhǎng)條形的縫狀缺陷兩種類型。其中孔狀缺陷一般可用面積等效的正方形缺陷來代替模擬，長(zhǎng)度大多在厘米級(jí)。對(duì)于土工膜缺陷處滲流的模擬，主要有兩種模擬方法，一種是剔除土工膜缺陷處單元的方法，即將缺陷處作為邊界條件直接施加相應(yīng)的作用水頭；另一種是放大缺陷處單元滲透系數(shù)的方法[4]。

考慮本研究堤防的實(shí)際情況及研究方便，采用面積等效正方形的方式來模擬土工膜缺陷，等效面積為10 cm×10 cm。對(duì)于土工膜缺陷滲漏模擬分別采用剔除缺陷處土工膜單元和放大滲透系數(shù)為1 m/s的方式。

2.2 有限元模型建立

計(jì)算模型的邊界條件如下：不透水邊界包括底部截取邊界、堤防段兩側(cè)截取邊界；已知水頭邊界包括上下游側(cè)截取邊界、堤防迎水坡；溢出邊界為上游水位以上堤防上游坡面，下游水位以上坡面。根據(jù)實(shí)際情況，大約判斷出土工膜缺陷部位與堤腳的距離約為0.5 m，網(wǎng)格剖分時(shí)，加密土工膜缺陷處網(wǎng)格，計(jì)算單元類型采用C3D8P，最終生成有限元模型的網(wǎng)格總數(shù)為190 892，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為203 229，具體模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型Fig.3 Finite element calculation model

2.3 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算方案

計(jì)算模型中涉及堤防與地基的計(jì)算參數(shù)如表1，其中0.3 mm土工膜等效為厚度為30 cm的材料，相應(yīng)滲透系數(shù)放大1 000 倍[4]。

計(jì)算方案見表2，其中土工膜缺陷單元等效面積為10 cm×10 cm，與坡腳距離為0.5 m。上下游水位采用監(jiān)測(cè)期內(nèi)最高水位值，即上游水位為99.5 m，下游水位為96.6 m，最高水位高出迎水坡坡腳約1 m。

表1 模型各分區(qū)滲透系數(shù)Tab.1 The permeability coefficient of each partition of the model

表2 計(jì)算方案表Tab.2 Calculation schemes

2.4 結(jié)果分析

對(duì)于土工膜缺陷分別采用了剔除缺陷單元及增大缺陷單元滲透系數(shù)的方法進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果顯示兩種方法計(jì)算出的浸潤(rùn)線、滲流場(chǎng)基本一致，但增大缺陷單元滲透系數(shù)法計(jì)算更為方便，限于篇幅，以下僅給出增大缺陷單元滲透系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果。

(1)浸潤(rùn)線分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：土工膜缺陷計(jì)算出的堤防浸潤(rùn)線與土工膜完整計(jì)算出的浸潤(rùn)線總體上接近，但在缺陷部位浸潤(rùn)線抬高，其影響半徑約為3 m，其中土工膜完整方案的孔隙水壓力圖如圖4所示，兩種方案下的缺陷部位孔隙水壓力圖如圖5所示。

圖4 土工膜完整橫剖面孔隙水壓力圖(單位：kPa)Fig.4 Distribution of pore pressure when the geomembrane is complete

圖5 兩種方案土工膜缺陷部位孔隙水壓力圖(單位：kPa)Fig.5 Pore pressure distribution of two plans in local defect area

(2)滲流場(chǎng)位勢(shì)分布。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：土工膜完整時(shí)，滲流水頭損失由防滲土工膜承擔(dān)；土工膜出現(xiàn)缺陷時(shí)，缺陷部位滲流水頭損失由膜下土體承擔(dān)，故當(dāng)土工膜出現(xiàn)破損時(shí)，極易產(chǎn)生滲透變形。兩種方案計(jì)算出的堤防整體等勢(shì)線基本一致，僅在缺陷部位差別較大，兩種方案土工膜缺陷部位等勢(shì)線圖如6所示。

圖6 兩種方案土工膜缺陷部位等勢(shì)線圖Fig.6 Equipotential line distribution of two schemes in local defect area

(3)滲透坡降分析。兩種方案計(jì)算出的堤防最大滲透坡降值如表3所示。從中可以看出，土工膜完整時(shí)，計(jì)算出的土體最大滲透坡降值為0.019，遠(yuǎn)小于堤防土體的允許滲透坡降值，故發(fā)生滲透變形的幾率很??；土工膜局部缺陷時(shí)，計(jì)算出的缺陷部位滲透坡降值為8.62，遠(yuǎn)大于允許滲透坡降值，故缺陷部位土體極易發(fā)生滲透變形。

表3 兩種計(jì)算方案的堤防最大滲透坡降值Tab.3 The maximum infiltration slope valueof two calculation schemes

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，土工膜破損處滲透坡降值較大，最大值達(dá)8.62，遠(yuǎn)超土體允許滲透坡降值，因而土體極易發(fā)生滲透破壞。同時(shí)堤防搶險(xiǎn)時(shí)采用風(fēng)化料填筑，堤身碎石、礫石較多，骨架作用明顯，且堤防土體總體級(jí)配不良，故結(jié)合堤防地質(zhì)特點(diǎn)，可以分析出堤防局部沉陷發(fā)生的機(jī)理：當(dāng)水位超過土工膜破損部位時(shí)，在高水位作用下，堤防土體會(huì)沿土體粗顆粒骨架流失，形成空洞、滲漏通道等，進(jìn)而導(dǎo)致堤防產(chǎn)生沉陷。

3 沉陷成因驗(yàn)證及加固措施

上述分析表明土工膜破損會(huì)導(dǎo)致堤防發(fā)生滲透變形，進(jìn)而引發(fā)局部沉陷，但實(shí)際中，導(dǎo)致沉陷發(fā)生的原因有很多，需要結(jié)合實(shí)際情況具體分析。下面將結(jié)合雷達(dá)隱患探測(cè)結(jié)果、水位及沉降監(jiān)測(cè)資料分析驗(yàn)證上述成因推測(cè)，并提出合理加固措施。

3.1 探地雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)分析

為了解潰修段堤防的填筑情況及可能存在的隱患情況，采用SIR-20型探地雷達(dá)進(jìn)行無損探測(cè)。探地雷達(dá)是由地面的發(fā)射天線將電磁波送入地下，經(jīng)地下目標(biāo)體反射被地面接收天線接收，通過分析接收到的電磁波的時(shí)頻、振幅特性，可以評(píng)價(jià)地質(zhì)體的形態(tài)和性質(zhì)。探地雷達(dá)具有高效、快速、分辨率高的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)堤防軸線較長(zhǎng)、土體介質(zhì)較復(fù)雜的情況[5,6]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在堤防迎水坡坡腳、坡面及坡頂共布置三條縱向測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)度覆蓋整個(gè)潰修段堤防，布置完測(cè)線后，完成雷達(dá)參數(shù)設(shè)置，并沿布置的測(cè)線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)與數(shù)據(jù)處理。其中迎水坡坡腳局部雷達(dá)圖像如圖7所示。

圖7 迎水坡坡腳局部雷達(dá)圖像Fig.7 Local radar image of riverside slope foot

圖像中橫坐標(biāo)表示雷達(dá)測(cè)線方向，縱坐標(biāo)表示探測(cè)深度方向，圖中線框部分大約為迎水坡沉陷部位。從雷達(dá)圖像可以看出淺層部位圖像同相軸均勻連續(xù)，略有起伏而無大的波動(dòng)，而堤防表層為混凝土板護(hù)面及墊層，無較大破壞，驗(yàn)證了圖像的合理性。再往下可以看出圖像出現(xiàn)同相軸錯(cuò)亂、衰減、雜亂無序等形態(tài)，尤其是在剖面水平距離190～210 m之間，垂直深度1～3 m的范圍內(nèi)，同相軸出現(xiàn)斷裂與局部不連續(xù)的情況，接收到的反射波強(qiáng)度與同深度相比有所增大，可以判斷出此處土體填筑疏松，存在較大孔洞，甚至存在滲漏通道，而該處即為堤防沉陷部位。

從地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果可以看出，沉陷部位土體存在較大孔洞、且土體填筑疏松，在水力坡降較大情況下容易發(fā)生土體流失，因而可以推斷堤防局部沉陷與滲透變形有關(guān)。

3.2 監(jiān)測(cè)資料分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇了4個(gè)典型斷面，每個(gè)斷面布置3根測(cè)壓管，分別位于堤頂兩側(cè)及背水坡坡腳，用于監(jiān)測(cè)堤身浸潤(rùn)線的變化過程，監(jiān)測(cè)周期約6個(gè)月，包括了水位從枯水期—汛期—枯水期的完整變化過程。其中沉陷部位位于3號(hào)斷面(樁號(hào)0+498)附近，斷面3的水位歷時(shí)曲線見圖8，沉陷部位測(cè)點(diǎn)沉降及水位隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖9。

圖8 斷面3水位歷時(shí)曲線Fig.8 Water level duration curve of section 3

圖9 沉陷處背水坡堤頂沉降隨時(shí)間變化曲線Fig.9 The curves of settlements varing with time on the top of downstream slope near the subsidence area

從圖8可以看出，3根測(cè)壓管之間的水位差較小，說明堤防填料水平滲透性強(qiáng)；同時(shí)江水位變化時(shí)，測(cè)壓管水位變幅較小，也說明堤防防滲系統(tǒng)總體工作正常。

由圖9可以看出，年內(nèi)高水位出現(xiàn)在7月中旬，最高水位大約在堤腳以上1.0 m左右，而這一時(shí)期沉陷位置附近的測(cè)點(diǎn)沉降值恰好出現(xiàn)異常。同時(shí)高水位出現(xiàn)之前與之后堤頂測(cè)點(diǎn)沉降均較平緩，但在高水位浸泡下，堤頂沉降快速，這與堤身濕陷或滲透變形有關(guān)，由于沉降的局部性，而不是整體均勻下沉，故滲透變形的可能性更大。但堤防防滲設(shè)施工作情況總體正常，所以滲透變形的發(fā)生應(yīng)與土工膜局部破損有關(guān)，即在高水位下，土工膜破損處水力坡降較大，進(jìn)而引發(fā)滲透變形。

綜合地質(zhì)勘探、監(jiān)測(cè)資料及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果可以驗(yàn)證：沉陷的發(fā)生應(yīng)與土工膜局部破損有關(guān)。即在高水位下，土工膜破損處滲透坡降較大，且該處土體填筑疏松，存在較大孔洞，同時(shí)堤防土體以級(jí)配不良的砂土為主，故土體細(xì)顆粒易隨孔洞、裂隙流失，進(jìn)而導(dǎo)致沉陷的發(fā)生。

3.3 加固措施

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，土工膜破損對(duì)堤防整體影響較小，僅對(duì)破損部位影響較大，在高水位長(zhǎng)期作用下，易引發(fā)沉陷、滑坡等險(xiǎn)情，但若不及時(shí)處理，險(xiǎn)情將進(jìn)一步擴(kuò)大，甚至?xí)绊懙谭赖陌踩\(yùn)行。

對(duì)于土工膜破損引起的局部沉陷問題，可分為以下兩種情況進(jìn)行加固處理。對(duì)于水位降低后沉陷部位位于水面以上的，將破壞處挖開，然后分層填土夯實(shí)，直至恢復(fù)原狀，并找到土工膜破損處，將其修復(fù)，從源頭解決沉陷問題；當(dāng)沉陷部位位于水面以下的，先拋填麻袋、編織袋等將其填滿，再拋填黏土封堵，阻隔滲水通道[7,8]。沉陷部位加固完成后，應(yīng)使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)分析，確保加固后的堤防填筑良好；并繼續(xù)進(jìn)行水位及沉降監(jiān)測(cè)，保證堤防的安全運(yùn)行。

4 結(jié) 語

通過有限元模擬土工膜缺陷，分析表明在汛期高水位下，土工膜缺陷對(duì)堤防整體影響較小，對(duì)缺陷部位影響較大，缺陷部位滲透坡降最大值為8.62，遠(yuǎn)大于允許值，易發(fā)生滲透變形破壞，進(jìn)而引發(fā)局部沉陷；同時(shí)通過地質(zhì)勘探、水位及沉降資料分析、雷達(dá)隱患探測(cè)驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)，最終確定堤防局部沉陷是土工膜局部破損，土體在高水位下沿孔洞、滲漏通道流失引起的滲透變形造成的，為堤防除險(xiǎn)加固提供依據(jù)。

綜合上述研究可知，利用有限元模擬、地質(zhì)勘探、水位及沉降監(jiān)測(cè)、雷達(dá)隱患探測(cè)的險(xiǎn)情綜合分析方法可以有效判別由土工膜破損引起的局部沉陷問題，從而及時(shí)采取措施，避免險(xiǎn)情進(jìn)一步擴(kuò)大，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

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