基于GeoStudio滲流模擬的堤防堤身材料優(yōu)選

李治軍,董 智,陳 末,盧 松

(1.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

中國(guó)是洪災(zāi)、潮災(zāi)較為嚴(yán)重的國(guó)家，堤防是抵御洪水、潮水危害的一個(gè)基礎(chǔ)工程。但由于堤防兩側(cè)存在較高的水頭差，致使堤身及地基存在滲流，影響堤防穩(wěn)定[1-4]。因此，掌握堤身及地基的滲流特點(diǎn)，便可以采取合理措施改變滲流情況來(lái)提升堤防穩(wěn)定。不同材料的滲透系數(shù)是影響堤身及地基的滲透的重要因素之一，因而研究不同滲透系數(shù)材料組成的堤防及地基滲流規(guī)律有著重要意義?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)主要使用的滲流分析軟件有理正、ANSYS、Autobank、GeoStudio 4款軟件。其中加拿大巖土公司開(kāi)發(fā)的GeoStudio軟件中的滲流穩(wěn)定分析模塊(SEEP/W)可以對(duì)復(fù)雜的滲流情況進(jìn)行精確的分析，計(jì)算結(jié)果快，更人性化，有較高的實(shí)用性，可以符合實(shí)際工程技術(shù)和精度的要求[5-8]。

現(xiàn)對(duì)堤防工程3種不同地基(基層細(xì)砂、粉質(zhì)土壤、中密夾砂粉質(zhì)黏土)情況下，分別設(shè)定低液限黏土、粉質(zhì)黏土、黃土、砂性土4種不同的堤身工程材料，利用GeoStudio 2012軟件的SEEP/W模塊對(duì)堤防工程進(jìn)行滲流數(shù)值模擬，直觀地顯示出堤防整體的滲流情況，再通過(guò)對(duì)比分析，可以迅速篩選出不同地基條件下適合的堤身材料，為堤防工程建設(shè)提供相關(guān)科學(xué)支撐。

1 堤防概況

華中地區(qū)某河因洪澇災(zāi)害阻礙農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而需修建堤防，該堤防工程共有5段堤防，總長(zhǎng)度121.75 km。河床表層地質(zhì)一般多為夾砂粉質(zhì)土壤、細(xì)砂為主的夾砂土壤以及粉質(zhì)土壤，強(qiáng)度低，工程地質(zhì)條件較差，但是深層基巖節(jié)理結(jié)構(gòu)發(fā)育完全?，F(xiàn)取其中一段堤防工程，河道水深5 m，堤頂設(shè)計(jì)寬度5 m，迎水坡坡比1∶3，背水坡坡比1∶2，堤趾距坡頂24 m，堤踵距坡頂16 m，堤防斷面為梯形堤防，地基厚度為4 m，斷面示意見(jiàn)圖1。現(xiàn)根據(jù)河床的地質(zhì)狀況，在模擬時(shí)將地基材料定義為基層細(xì)砂、粉質(zhì)土壤、中密夾砂粉質(zhì)黏土，堤身材料設(shè)定為堤低液限黏土、粉質(zhì)黏土、黃土、砂性土等4種材料。

圖1 堤防斷面示意

2 模型構(gòu)建

GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊采用有限元分析的方法，可自動(dòng)生成四邊形和三角形網(wǎng)格將設(shè)計(jì)的剖面分割成任意尺寸小單元格。以此為基礎(chǔ)，能模擬復(fù)雜多孔介質(zhì)的地下水滲流和超孔隙水壓力消散問(wèn)題，即可計(jì)算飽和、非飽和滲流，也可模擬計(jì)算穩(wěn)定、非穩(wěn)定水頭滲流[7,9-13]。本文構(gòu)建的堤防滲流模擬模型包括二維滲流控制方程、初始條件和邊界條件，并利用SEEP/W模塊對(duì)水頭不變的堤防進(jìn)行滲流模擬計(jì)算。

模型構(gòu)建過(guò)程可分為建立幾何模型、劃定材料區(qū)域、網(wǎng)格剖分與定義材料屬性、材料填充、設(shè)置邊界條件和求解并輸出結(jié)果等6個(gè)步驟[14]：①用AutoCAD 2016作出圖形，保存成DXF格式，導(dǎo)入GeoStudio 2012，設(shè)置比例和坐標(biāo)生成基本底圖；②繪制材料區(qū)域；③剖分區(qū)域生成單元格，單元格尺寸為0.1 m，共劃分34 482個(gè)節(jié)點(diǎn)，33 956個(gè)單元[15]，設(shè)定劃分區(qū)域的材料屬性，所選的材料屬性見(jiàn)表1；④材料填充；⑤設(shè)定新的邊界條件，給定穩(wěn)定水頭為河道水深5 m；⑥結(jié)果輸出，根據(jù)實(shí)際要求可輸出總水頭、滲流速率、水力梯度、孔隙水壓力等多種參數(shù)云圖。其中，指定邊界條件是滲流數(shù)值分析的關(guān)鍵，邊界條件直接決定滲流計(jì)算結(jié)果，GeoStudio的SEEP/W模塊中邊界條件可以選擇輸入邊界水頭或邊界滲流量，本次模擬選擇輸入邊界水頭[16-17]。

表1 不同材料的滲透系數(shù)

根據(jù)所研究的堤防概況，把基層細(xì)砂、粉質(zhì)土壤、中密夾砂粉質(zhì)黏土設(shè)定為地基材料。在同一種地基和同種水頭的情況下設(shè)定不同的堤防堤身材料，利用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果確定堤身選材優(yōu)良區(qū)間、堤身滲流逸出段和地基滲流逸出段位置，進(jìn)而提出堤防材料搭配建議和有效防滲措施。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 基層細(xì)砂地基的滲流模擬及分析

模型地基材料定義為基層細(xì)砂，基層細(xì)砂的滲透系數(shù)6.01×10-2m/s，將堤身材料設(shè)定為低液限黏土、粉質(zhì)黏土、黃土、砂性土等4種。將堤身材料的滲透系數(shù)輸入模型中，觀察堤身與地基間的滲流變化情況，從總水頭、滲流梯度2個(gè)方面來(lái)做滲流參數(shù)分析，基層細(xì)砂地基模擬結(jié)果見(jiàn)圖2、3。

由圖2觀察可知，隨著堤身材料的改變即材料的滲透系數(shù)的改變，可以發(fā)現(xiàn)以下變化：①隨著滲透系數(shù)的增大，地基分布的滲流路徑逐漸稀疏，堤身分布的滲流路徑逐漸密集，最高水頭和最低水頭區(qū)域變大且水頭變化線逐漸縮短，滲流途徑變短，堤身滲流逸出段與地基滲流逸出段位置后移；②粉質(zhì)黏土堤身底部滲流總水頭變化路徑最長(zhǎng)，數(shù)值變化平緩且滲流路徑分布均勻，相對(duì)其他3種堤身滲流更為穩(wěn)定，安全性更高。

a) 低液限黏土堤身總水頭變化云

b) 低液限黏土堤身底部總水頭變化

c) 粉質(zhì)黏土堤身總水頭變化云

d)粉質(zhì)黏土堤身底部總水頭變化

e) 砂性土堤身總水頭變化云

f) 砂性土堤身底部總水頭變化

g) 黃土堤身總水頭變化云

h) 黃土堤身底部總水頭變化

圖2基層細(xì)砂地基總水頭變化

由圖3a—3d的觀察可以得出：4種堤身材料中粉質(zhì)黏土和黃土滲流梯度分布均勻，且未出現(xiàn)最大滲流梯度變化。粉質(zhì)黏土和黃土二者之間粉質(zhì)黏土較黃土的滲流矢量路徑分布更為均勻，滲流更為穩(wěn)定。同時(shí)，由模擬變化過(guò)程可知，隨著堤身滲透系數(shù)的逐漸變大，滲流路徑是逐漸變短且地基滲透系數(shù)與堤身滲透系數(shù)相差越大越易出現(xiàn)集中滲流，在運(yùn)行期間可能會(huì)發(fā)生流土或管涌[3,18-21]。

a) 低液限黏土堤身滲流梯度云

b) 粉質(zhì)黏土堤身滲流梯度云

c) 砂性土堤身滲流梯度云

d) 黃土堤身滲流梯度云圖3 基層細(xì)砂地基滲流梯度參數(shù)云

3.2 粉質(zhì)土壤地基的滲流模擬及分析

模型地基材料定義為粉質(zhì)土壤，粉質(zhì)土壤滲透系數(shù)8.5×10-3m/s。只改變地基材料這一變量，堤身材料設(shè)置與3.1設(shè)置相同，然后對(duì)堤防斷面的孔隙水壓力、總水頭變化和滲流梯度(水力坡降)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，粉質(zhì)土壤地基模擬結(jié)果見(jiàn)圖4、5。

觀察分析圖4可得以下結(jié)果：①?gòu)牡躺砜紫端畨毫υ茍D可得，堤身材料的變化對(duì)孔隙水壓力分布變化影響不大，依舊是滲流路徑分布變化明顯，其中以黃土堤身模擬的滲流路徑最優(yōu)；②從總水頭變化圖可知，與基層細(xì)砂地基相比，相同堤身材料在粉質(zhì)土壤地基情況下，總水頭變化更加平緩且總水頭變化最佳情況是在堤身材料被設(shè)置成黃土。

由圖5a —5d可知：①不同堤身材料的滲流梯度模擬結(jié)果存在較大差異，當(dāng)?shù)躺聿牧显O(shè)定成砂性土?xí)r，最大滲流梯度為0.9同比其他材料最小，但是砂性土堤身模擬出的滲流梯度變化較快，不利于堤防穩(wěn)定，見(jiàn)圖5c；②在堤身材料為低液限黏土、粉質(zhì)黏土?xí)r，滲流梯度變化在地基處近乎沒(méi)有，只出現(xiàn)在堤身，對(duì)堤防穩(wěn)定不利，當(dāng)?shù)躺聿牧蠟辄S土?xí)r，滲流梯度變化緩慢且分布較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)最大的滲流梯度變化，模擬結(jié)果最好。

a) 低液限黏土堤身孔隙水壓力云

b) 低液限黏土堤身底部總水頭變化

c) 粉質(zhì)黏土堤身孔隙水壓力云

d) 粉質(zhì)黏土堤身底部總水頭變化

e) 砂性土堤身孔隙水壓力云

f) 砂性土堤身底部總水頭變化

g) 黃土堤身孔隙水壓力云

h) 黃土堤身底部總水頭變化

圖4粉質(zhì)土壤地基孔隙水壓力云及總水頭變化

a) 低液限黏土堤身滲流梯度云

b) 粉質(zhì)黏土堤身滲流梯度云

c) 砂性土堤身滲流梯度云

d) 黃土堤身滲流梯度云圖5 粉質(zhì)土壤地基滲流梯度云

3.3 中密夾砂粉質(zhì)黏土地基的滲流模擬及分析

模型的地基材料定義成中密夾砂粉質(zhì)黏土，中密夾砂粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)2.6×10-3m/s。只改變地基材料這一個(gè)變量，堤身材料設(shè)置與3.1相同，然后對(duì)滲流速率這一個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。同時(shí)與地基為基層細(xì)砂和粉質(zhì)土壤時(shí)候的情況作比較，然后觀察分析三者間的異同。中密夾砂粉質(zhì)黏土地基的滲流模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6a — d可知，在堤身材料設(shè)置為低液限黏土?xí)r，地基滲流路徑集中，出現(xiàn)集中滲流的可能性最大；在堤身材料變?yōu)辄S土?xí)r滲流路徑分布均勻，且最大滲流流速面積較??；在堤身材料為砂性土?xí)r，滲流路徑主要分布在堤身，對(duì)堤防穩(wěn)定性不利。將3種地基的最大滲流速率采集制成折線見(jiàn)圖6e，可以發(fā)現(xiàn)，在采用相同堤身材料時(shí)，粉質(zhì)土壤地基的最高滲流速率最大，中密夾砂粉質(zhì)黏土次之，地基為基層細(xì)砂時(shí)的滲流速率最小。但是，三者的變化趨勢(shì)相同且在堤身材料變?yōu)辄S土之后重合。

a) 低液限黏土堤身滲流速率云

b) 粉質(zhì)黏土堤身滲流速率云圖6 中密夾砂粉質(zhì)黏土地基XY速率參數(shù)云及最高滲流速率變化

c) 砂性土堤身滲流速率云

d) 黃土堤身滲流速率云

e) 最高滲流速率變化續(xù)圖6 中密夾砂粉質(zhì)黏土地基XY速率參數(shù)云及最高滲流速率變化

4 結(jié)論

a) 材料處于飽和狀態(tài)且在水位不變的情況下，堤身材料與地基材料的滲透系數(shù)越相近，滲流路徑分布越均勻，不易產(chǎn)生集中滲流情況；堤身材料滲透系數(shù)比地基滲透系數(shù)大2個(gè)及2個(gè)以上的數(shù)量級(jí)時(shí)，易發(fā)生集中滲流，需做好地基的防滲透破壞措施。例如，做水平鋪蓋、打板樁來(lái)延長(zhǎng)滲徑[22-25]。

b) 總的模擬結(jié)果顯示，堤防地基與堤身的材料分別為基層細(xì)砂-粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)土壤-黃土、中密夾砂粉質(zhì)黏土-黃土3種組合時(shí)，堤防滲流路徑最均勻，水力梯度小且變化平穩(wěn)，總水頭變化緩慢，堤防最為安全穩(wěn)定。