堤防工程滲流模擬分析

張曉紅，李 洋，陳 末，*，李 爽，李治軍

(1.黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院;b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080；2.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，哈爾濱 150081)

堤防工程滲流模擬分析

張曉紅1a，1b，李 洋1a，1b，陳 末1a，1b，*，李 爽1a，2，李治軍1a，1b

(1.黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院;b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080；2.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，哈爾濱 150081)

構(gòu)建了滲流模型、建立了滲流模擬方案。為分析不同水位條件下的滲流及破壞情況，根據(jù)資料分析和野外調(diào)查結(jié)果，采用包括50年一遇設(shè)計洪水位，大洪水年洪水位以及200年一遇超大洪水位進行模擬分析。主要對混合堤加以分析，得出堤防的流動路徑圖、滲流速率云圖和坡降云圖，并對滲流結(jié)果進行分析。在3種不同水位方案下堤防滲流場、流速的影響分析結(jié)果，以及坡降數(shù)值結(jié)果與破壞可能性分析結(jié)果表明，在50年一遇設(shè)計洪水位、大洪水年最高洪水位條件下堤防不易產(chǎn)生滲透破壞，堤防抗?jié)B穩(wěn)定性均能滿足要求。在200年一遇超大洪水位條件下堤防易產(chǎn)生滲透破壞，需要采取工程防滲措施。

堤防;模型;模擬;混合堤;滲流

堤防工程是防洪工程體系的基礎(chǔ)，是防洪的重要屏障。在堤防加固工程中，掌握堤身工況及地基滲流特點，采用合理滲流控制措施是確保堤防安全度汛的重要前提。筑成混合堤的材料具有多樣性，因此混合堤的不同位置滲流特性具有差異性。為了堤防安全考慮，需對其進行滲流模擬分析。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，加拿大巖土公司GEO-SLOPE開發(fā)的GeoStudio2007軟件，具有滲流穩(wěn)定分析模塊SEEP/W。SEEP/W模塊具有良好的前后處理功能，其功能具有綜合性，既可分析極為復(fù)雜的滲透性問題，又具有較高的精度和較好的實用性，可滿足實際工程的技術(shù)和精度要求。本文利用GeoStudio2007軟件構(gòu)建滲流模型并對典型斷面進行滲流模擬分析。

1 概念模型的構(gòu)建

某堤防工程包括3段，總長101.973 km。其中下段堤防由兩部分組成，堤防總長58.794 km。部分堤段兩側(cè)進行加培處理，堤頂寬3.0m，迎水坡坡比1∶4.0，原路面以上背水坡坡比1∶2.0，原路面以下背水坡坡比1∶4.0。潰口復(fù)建堤段采用水中填土至地面高程，兩側(cè)采用拋石防護，地面以上部分堤頂寬8.0 m，迎水坡坡比1∶4.0，背水坡坡比1∶4.0，迎水坡堤腳采用多頭小直徑攪拌樁防滲墻[1-3]。其它堤段堤頂寬8.0 m，土堤迎水坡坡比1∶3.0，背水坡坡比1∶4.0;砂堤和混合堤迎水坡現(xiàn)狀坡比不陡于1∶3.5的維持現(xiàn)狀，陡于1∶3.5的削破至1∶4.0，背水坡坡比1∶4.0，堤高超過6 m時，在下游坡距堤頂3 m處設(shè)置2.0 m寬戧臺[4]。堤防橫斷面示意圖見圖1。

堤防橫斷面為梯形，堤身上層材料為砂性土，下層材料為低液限黏土。堤基上層材料為低液限黏土，下層材料為級配不良中砂。

假定同一區(qū)域內(nèi)土體的滲透性均一，為各向同性介質(zhì)[5-9]，計算時的設(shè)定參數(shù)見表1，材料分區(qū)見圖1。

圖1 堤防橫斷面示意圖Fig.1 Embankment section geometry

表1 區(qū)域材料參數(shù)表Table 1 Area material parameter table

根據(jù)研究區(qū)的實際情況，為考慮不同洪水位條件下對滲流結(jié)果的影響，對水位賦予不同值，得到在不同水頭壓力下的滲流要素結(jié)果[9-11]。本文分別對3種水頭進行二維滲流分析，從影響滲流的角度提出堤防防滲措施的合理性建議[12-15]。

2 模擬方案設(shè)定

2.1 模擬斷面的設(shè)定

根據(jù)研究需要，結(jié)合資料分析和野外調(diào)查結(jié)果，本文選擇3個典型橫斷面作為模擬斷面，其中包括大洪水年堤防決口處橫斷面[15-18]。

2.2 不同洪水方案的設(shè)定

為分析不同水位條件下的滲流及破壞情況，根據(jù)資料分析和野外調(diào)查結(jié)果，本文設(shè)定3種不同洪水方案，見表2。

3 典型斷面混合堤滲流模擬結(jié)果分析

3.1 50年一遇設(shè)計洪水位

50年一遇設(shè)計洪水位條件下的混合堤滲流模擬結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 50年一遇設(shè)計洪水位條件下斷面流動路徑圖Fig.2 Flow path of section under design flood level in 50 years

由圖2～圖4可見，堤防背水坡堤腳處有滲流且流量較大，滲流流通路徑較密集，流速也相對較大。臨近坡降代表土體的抗?jié)B強度，反映了土體抵抗破壞滲透的能力。允許比降通常由原狀土室內(nèi)測驗求得，也可由經(jīng)驗確定，根據(jù)工程地質(zhì)資料取允許比降為2.0。堤身坡降極小，堤基上層低液限黏土層及堤腳處等出水處存在坡降值，坡降值由迎水坡逐漸降低，再至臨近背水坡坡腳處，坡降明顯有所升高，此斷面坡降模擬計算結(jié)果最大值為1.15，小于黏土達到滲流破壞的臨界坡降，堤防抗?jié)B穩(wěn)定性滿足要求，不會產(chǎn)生滲透破壞。

表2 不同洪水方案Table 2 Different flood scenarios statistics

圖3 50年一遇設(shè)計洪水位條件下斷面滲流速率云圖Fig.3 Section flow rate cloud under design flood conditions in 50 years

圖4 50年一遇設(shè)計洪水位條件下斷面坡降云圖Fig.4 Section slope contours under design flood conditions in 50 years

3.2 大洪水年最高洪水位

3.2.1 滲流場影響分析

在大洪水年最高洪水位(46.88m)條件下，對斷面進行滲流路徑分析，模擬結(jié)果見圖5。

由圖5可見，流線在堤防迎水坡以垂直入滲為主，經(jīng)過堤基低液限黏土層，部分轉(zhuǎn)為水平方向，沿堤基底部級配不良中砂層流向下游地基，并有方向向上流出下游地面趨勢，另有一部分轉(zhuǎn)為垂直向上流向堤身上層砂性土層，從堤防背水坡堤腳處流出，總體滲流路徑較均勻[19]。在堤防背水坡堤腳處設(shè)計建有固腳，在一定程度上可以降低管涌破壞，是否發(fā)生破壞還需要根據(jù)流速、坡降的具體數(shù)值進行判斷[20]。

3.2.2 流速影響分析

在大洪水年最高洪水位條件下，各斷面滲流速率云圖見圖6。由圖6可見，堤防滲透速率較小，整個區(qū)域滲透速率<0.8 m/d。在堤身處滲透速率較高，最高流速點在堤身背水側(cè)坡腳處，最高流速約為0.701 m/d。堤防產(chǎn)生滲流破壞的可能性較小。

圖5 大洪水年最高洪水位條件下斷面流動路徑圖Fig.5 Flood path of section under the maximum flood level of flood year

圖6 大洪水年最高洪水位條件下斷面滲流速率云圖Fig.6 Cloud of seepage rate under maximum flood level in flood year

3.2.3 坡降值與破壞可能性分析

各斷面的坡降可以由數(shù)值模擬直接得出，堤防坡降云圖見圖7。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，堤防背水坡堤腳處有滲流流量較大，滲流流通路徑較密集，流速也相對較大，很可能發(fā)生滲透破壞。根據(jù)工程地質(zhì)資料取允許比降值為2.0。由圖7可見，堤身坡降極小，堤基上層低液限黏土層及堤腳處等出水處存在坡降值，坡降值由迎水側(cè)逐漸降低，再至臨近背水坡坡腳處，坡降明顯有所升高，斷面坡降模擬計算結(jié)果最大值為1.35，小于黏土達到滲流破壞的臨界坡降，堤防抗?jié)B穩(wěn)定性滿足要求，不會產(chǎn)生滲透破壞。

根據(jù)大洪水年最高洪水位條件下對堤防滲流場、流速和坡降的影響分析，可以判定在大洪水年最高洪水位條件下堤防不會產(chǎn)生滲透破壞。

3.3 200年一遇超大洪水位

200年一遇超大洪水位條件下混合堤滲流模擬結(jié)果見圖8～圖10。

圖7 大洪水年最高洪水位條件下斷面坡降云圖Fig.7 Flooding of section at maximum flood level in flood year

圖8 200年一遇超大洪水位條件下斷面流動路徑圖Fig.8 Flow path of section under the condition of large flood level in 200 years

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，堤防背水坡堤腳處有滲流且流量較大，滲流流通路徑較密集，流速也相對較大，很可能發(fā)生滲透破壞。根據(jù)工程地質(zhì)資料取允許比降值為2.0。堤身坡降極小，壩基上層低液限黏土層及堤腳處等出水處存在坡降值，坡降值由迎水坡逐漸降低，再至背水坡臨近坡腳處坡降明顯有所升高，此斷面坡降模擬計算結(jié)果最大值為4.80，最大坡降大于黏土達到滲流破壞的臨界坡降，抗?jié)B穩(wěn)定性不能滿足要求，會產(chǎn)生滲透破壞。

圖9 200年一遇超大洪水位條件下斷面滲流速率云圖Fig.9 Phenomenon of seepage rate of cross section in 200 years

圖10 200年一遇超大洪水位條件下斷面坡降云圖Fig.10 Event of a large flood level under the conditions of the slope down the cloud map in 200 years

4 結(jié) 論

以典型堤防工程為例，根據(jù)巖土體滲流場基本方程，堤防最大浸泡時間≥45 d，結(jié)合堤防工程地質(zhì)條件建立了滲流運動的有限元數(shù)值模型，對50年一遇設(shè)計洪水位45.45 m、大洪水年最高洪水位46.88 m和200年一遇超大洪水位48.67 m進行數(shù)值模擬計算。

3種方案堤防滲流模擬流速影響分析結(jié)果表明，堤基下層和堤身處滲透速率較堤基上層滲透速率高，堤防背水坡堤腳處滲流流通路徑較密集。

滲流模擬坡降結(jié)果表明，堤身坡降較小，堤基上層低液限黏土層及堤腳處等出水處存在坡降值，坡降值由迎水坡逐漸降低，再至臨近背水坡堤腳處坡降明顯有所升高。

3種方案堤防滲流場、流速和坡降的影響分析表明，在50年一遇設(shè)計洪水位、大洪水年最高洪水位條件下堤防不易產(chǎn)生滲透破壞，在200年一遇超大洪水位條件下堤防易產(chǎn)生滲透破壞，需采取工程防滲措施。工程設(shè)計規(guī)劃能夠滿足防洪需要，設(shè)計合理可靠。

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Analysis of embankment engineering seepage simulation

ZHANG Xiao-Hong1a，1b， LI Yang1a，1b， CHEN Mo1a，1b，*， LI Shuang1a，2，LI Zhi-Jun1a，1b

(1.HeilongjiangUniversitya.SchoolofHydraulicandElectricPower;b.InstituteofGroundwaterinColdRegion，Harbin150080，China;2.SanjiangEngineeringBureauofHeilongjiangProvince，Harbin150081，China)

A seepage flow model and a seepage simulation scheme were established. In order to analyze the seepage and damage in different water level conditions， according to the data analysis and field survey results， the flood level in the 50 years， including the flood level， the flood year and the 200 years flood water level were simulated and analyzed. Based on the analysis of the mixed dike， the flow path diagram， the seepage rate cloud and the slope descent were obtained， and the seepage result was analyzed. The analysis results of the anti-seepage flow field， the influence of the flow rate and the numerical results of the slope drop and the analysis of the damage probability under the three different water level scenarios showed that in the 50 years， the design flood level and the maximum flood level. It is not easy to produce osmotic damage， embankment impermeability stability can meet the requirements， in 200 years in case of large flood conditions under the embankment prone to osmotic damage. Engineering anti-seepage measures are required.

embankment;model;simulation;mixed embankment;seepage

10.13524/j.2095-008x.2017.03.035

TV871

A

2095-008X(2017)03-0020-06

2017-07-26;

2017-08-07

黑龍江省科技廳項目(GZ16B014)

張曉紅(1991-)，女，黑龍江雞西人，碩士研究生，研究方向：水文學(xué)及水資源，E-mail: hss_zhangxiaohong@126.com;*

陳 末(1989- )，女，吉林公主嶺人，講師，博士，研究方向:地表水地下水聯(lián)合模擬，E-mail:chenmocc12@163.com。