分淮入沂整治工程典型堤段垂直防滲體防滲效果分析與評(píng)價(jià)

馮 迪，王 媛，高 山2，余昌蔚

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098； 2.江蘇省分淮入沂整治工程建設(shè)管理局，江蘇 揚(yáng)州 225002)

1 工程背景

我國(guó)江河湖泊眾多，水患頻發(fā)，人民與水抗?fàn)幍臍v史由來(lái)已久。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建成各類(lèi)堤防26 萬(wàn)km，這些堤防在保護(hù)沿岸人民生命財(cái)產(chǎn)安全上起到了重要的作用，發(fā)揮了重大的國(guó)民經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[1]。但是，由于我國(guó)堤防工程多數(shù)建設(shè)年代久遠(yuǎn)，限于當(dāng)時(shí)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件，很多都是采用傳統(tǒng)手段，通過(guò)就近取土堆筑，不斷加固加高補(bǔ)漏，造成了堤防質(zhì)量隱患眾多、堤防安全事故頻發(fā)的現(xiàn)狀[2-3]。

近年來(lái)，為了改善我國(guó)堤防現(xiàn)狀，國(guó)家水利部門(mén)越來(lái)越重視病險(xiǎn)堤防的改造加固[4]。垂直防滲加固工程由于其功效高、成本較低、占用土地少，更加適應(yīng)于堤防加固工程的工程量大、施工季節(jié)短和作用水頭低的特點(diǎn)，在眾多江河堤防得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[5-9]，出現(xiàn)了很多成熟的垂直防滲加固技術(shù)，如機(jī)械垂直鋪膜處理、多頭小直徑深層攪拌樁防滲處理，高壓定噴防滲處理等。但在施工和使用過(guò)程中，一些缺陷難以避免，如鋪設(shè)深度不足、出現(xiàn)破損等。這些因素必然對(duì)堤防的滲透穩(wěn)定性造成影響。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性及工程的隱蔽性，其防滲效果難以檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

本文依托分淮入沂整治工程，通過(guò)數(shù)值方法模擬洪水位下堤防滲流場(chǎng)，分析有無(wú)垂直防滲體、防滲體鋪設(shè)深度、防滲體是否有缺陷及缺陷位置等對(duì)堤防滲流場(chǎng)的影響，以溢出點(diǎn)水力梯度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)與土層允許水力梯度的比較來(lái)評(píng)價(jià)垂直防滲體的防滲效果。

2 計(jì)算模型與方法

2.1 堤防滲流計(jì)算原理

計(jì)算堤防滲流過(guò)程中，將總水頭H作為滲流控制方程的因變量，假設(shè)土體含水率的變化不會(huì)導(dǎo)致土體體積的改變，則滲流控制方程為[10]

(1)

式中：H為總水頭(m)；kx,ky,kz分別為x,y和z方向的滲透系數(shù)(m/s)；Ss為釋水率(m-1)。

FLAC3D是美國(guó)ITASCA咨詢(xún)公司開(kāi)發(fā)的三維有限元差分程序，該程序具有較快的運(yùn)算速度、強(qiáng)大的前后處理功能、靈活的FISH語(yǔ)言，在科研及工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本文利用其內(nèi)置的滲流模塊來(lái)對(duì)堤防滲流進(jìn)行計(jì)算。

2.2 計(jì)算模型

分淮入沂整治工程是國(guó)務(wù)院確定的進(jìn)一步治理淮河的重點(diǎn)項(xiàng)目, 是淮河下游防洪體系的一個(gè)重要組成部分。選取分淮入沂整治工程樁號(hào)KD38+200段堤壩為建模對(duì)象。根據(jù)斷面的地層分布和地表地形，適當(dāng)簡(jiǎn)化后建立計(jì)算模型如圖1所示，模型長(zhǎng)110 m，高15.5 m，底板取至高程0 m處，頂部取至地形表面，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格剖分形成數(shù)值模型。

圖1 計(jì)算模型

本段堤防的設(shè)計(jì)行洪水位為12.8 m，在模型堤外側(cè)地表低于洪水位12.8 m處，和堤內(nèi)側(cè)邊界低于8.5 m處皆設(shè)置為定水頭透水邊界，模型底部設(shè)定不透水邊界。

2.3 模型參數(shù)

將室內(nèi)滲透試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)與勘測(cè)報(bào)告提供的滲透系數(shù)進(jìn)行比較分析，確定模型中各個(gè)地層滲透系數(shù)計(jì)算值見(jiàn)表1,垂直防滲體滲透系數(shù)為1×10-7cm/s。

表1 各地層滲透系數(shù)表

2.4 計(jì)算工況

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)垂直防滲體狀況的不同以及可能出現(xiàn)缺陷的情況，主要考慮無(wú)垂直防滲體、有垂直防滲體、防滲體底部距黏土層距離、防滲體是否有缺陷及缺陷位置不同等6個(gè)工況，即：①無(wú)垂直防滲體；②垂直防滲體底部距離黏土層0 m；③防滲體底部距離黏土層0.5 m；④防滲體底部距離黏土層1 m；⑤防滲體缺陷尺寸0.4 m，距離頂部4 m；⑥防滲體缺陷在距離頂部8.5 m。

3 垂直防滲體對(duì)堤防滲流場(chǎng)的影響分析

針對(duì)不同工況，通過(guò)對(duì)比水頭和水力梯度分布情況，分析垂直防滲體對(duì)堤防滲流場(chǎng)的影響。

3.1 垂直防滲體對(duì)滲流場(chǎng)的影響

堤防無(wú)垂直防滲體和有垂直防滲體的水頭等值線分布見(jiàn)圖2。從圖2中可知有垂直防滲體的工況在防滲體后(堤內(nèi)側(cè))的水頭明顯下降，在防滲體底部等水頭線變得密集，說(shuō)明此處有大量的水流通過(guò)。

圖2 有無(wú)垂直防滲體的水頭等值線分布

圖3 有無(wú)垂直防滲體的水力梯度等值線分布

堤防無(wú)垂直防滲體和有垂直防滲體的水力梯度等值線分布如圖3所示，比較圖3(a)、圖3(b)可知，鋪設(shè)防滲體后水力梯度的分布發(fā)生顯著變化，在防滲體前后的區(qū)域內(nèi)水力梯度顯著變小，而在防滲體底部水力梯度明顯變大。這是由于防滲體的防滲作用使得水流改變了流動(dòng)路徑，從防滲體底部繞滲。

3.2 防滲體鋪設(shè)深度對(duì)滲流場(chǎng)的影響

圖4為垂直防滲體是否鋪至黏土層內(nèi)的水頭等值線分布圖。對(duì)比圖4(a)與圖4(b)可知，當(dāng)垂直防滲體未鋪至黏土層內(nèi)時(shí)，在防滲體后(堤內(nèi)側(cè))的水頭明顯升高，這是因?yàn)樵诜罎B體底部和黏土層頂部之間存在一個(gè)滲流通道，在這個(gè)部位水流經(jīng)過(guò)，水頭損失較小，因此抬高了防滲體后一段區(qū)域內(nèi)的水頭?？梢钥闯霎?dāng)垂直防滲體未鋪設(shè)至黏土層時(shí)，在防滲體后(堤內(nèi)側(cè))的水頭明顯升高。

圖4 垂直防滲體距離黏土層不同距離的水頭等值線分布

圖5 垂直防滲體底部距離黏土層不同距離的水力梯度等值線分布

圖5為垂直防滲體底距離黏土層不同距離的水力梯度等值線分布圖。這2個(gè)工況的區(qū)別在于防滲體底處與黏土層中間形成的透水薄層的厚度不同。二者水力梯度分布整體上相類(lèi)似，只是當(dāng)透水薄層越厚，其下方的黏土層的水力梯度越小。這是由于薄透水層越厚，流過(guò)這一區(qū)域的水流就越多，相對(duì)而言通過(guò)黏土層的水流變少，因此水力梯度也更小。

3.3 防滲體缺陷對(duì)滲流場(chǎng)的影響

圖6為缺陷位置不同的防滲體水頭等值線分布比較圖，與圖2(b)對(duì)比可以看出垂直防滲體存在缺陷時(shí)，滲流場(chǎng)發(fā)生了明顯變化，防滲體后的區(qū)域內(nèi)水頭抬升，尤以缺陷處水頭抬升最為明顯。另外，對(duì)比圖6(a)、圖6(b)可以看出缺陷在不同位置，由于缺陷處水壓力的不同，對(duì)防滲體后滲流場(chǎng)造成影響的范圍不同，當(dāng)防滲體缺陷位置越低，影響范圍越大。

圖6 防滲體缺陷位置不同的水頭等值線分布比較

圖7 防滲體缺陷位置不同的水力梯度等值線分布

圖7為防滲體缺陷位置不同的水力梯度等值線分布圖，與圖3(b)對(duì)比可以看出，在缺陷處前后水力梯度明顯上升。這是由于垂直防滲體存在缺陷時(shí)水流從缺陷處流過(guò)，導(dǎo)致這一區(qū)域水力梯度上升。對(duì)比圖7(a)與圖7(b)可以看出，缺陷位置不同，主要影響各自缺陷處附近的水力梯度，是局部水力梯度增大，對(duì)其他離缺陷處較遠(yuǎn)處的影響大致相同，但缺陷位置越低，影響的范圍越大。

4 堤防垂直防滲體防滲效果評(píng)價(jià)

堤防垂直防滲體防滲效果可通過(guò)堤防的滲透穩(wěn)定性來(lái)評(píng)價(jià)。以溢出點(diǎn)水力梯度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)與土層允許水力梯度的比較來(lái)評(píng)價(jià)垂直防滲體的防滲效果。通過(guò)前述滲流分析計(jì)算結(jié)果可得到溢出點(diǎn)的水力梯度J，若J小于土體的允許水力梯度，則堤防是穩(wěn)定的，垂直防滲體防滲效果良好，否則表明防滲工程不符合要求。各工況溢出點(diǎn)水力梯度見(jiàn)表2，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣測(cè)定的各土層基本物理參數(shù)，依據(jù)《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》中允許水力梯度計(jì)算方法[11]，可得到各地層允許水力梯度見(jiàn)表3。

表2 各工況溢出點(diǎn)水力梯度

表3 各地層允許水力梯度

結(jié)合表2和表3分析可知：在溢出點(diǎn)處所有工況的水力梯度都小于允許水力梯度，因此在溢出點(diǎn)處不會(huì)發(fā)生滲流破壞，整個(gè)堤防工程是安全的，垂直防滲體防滲效果顯著。

5 結(jié)論與建議

(1)堤防鋪設(shè)垂直防滲體后在防滲體后的水頭明顯下降，在防滲體底部等水頭線變得密集，說(shuō)明防滲體防滲效果明顯，從而大大提高了堤防滲流穩(wěn)定性。

(2)防滲體底進(jìn)入堤防黏土層比防滲體未插入黏土層有更好的防滲效果，當(dāng)透水薄層越厚，其下方的黏土層的水力梯度越小。

(3)垂直防滲體存在缺陷時(shí)，引起了滲流場(chǎng)的重分布，引起防滲體后浸潤(rùn)線明顯抬升。當(dāng)防滲體缺陷位置越低，影響滲流場(chǎng)重分布的范圍越大。

(4)在溢出點(diǎn)處所有工況的水力梯度都小于允許水力梯度，因此在溢出點(diǎn)處不會(huì)發(fā)生滲流破壞，整個(gè)防滲工程防滲效果顯著。