基于Geo-Studio軟件分析含強(qiáng)透水層堤基對(duì)堤防工程的滲流穩(wěn)定影響

李俊杰

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概 述

堤防是水利水電工程中重要的建筑物之一，其安全關(guān)系到人民群眾的生命、財(cái)產(chǎn)的安危。大量洪災(zāi)資料表明，在大堤洪災(zāi)中，管涌險(xiǎn)情數(shù)量最多，分布范圍廣，且易誘發(fā)重大險(xiǎn)情，甚至導(dǎo)致大堤潰口，是江河大堤災(zāi)汛期危害最大的險(xiǎn)情之一[1]。羅玉龍等[2]、陳建生等[3]借助砂槽模擬試驗(yàn)分別觀察管涌的破壞過程，通過分析試驗(yàn)中的參量研究管涌的破壞機(jī)理。毛海濤等[4]以局部存在淺層強(qiáng)透水層的砂土堤基為研究對(duì)象，借助室內(nèi)砂槽模型試驗(yàn)，觀察堤基管涌破壞的工程，通過試驗(yàn)研究管涌破壞機(jī)理。上述學(xué)者主要針對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停芯繂?、雙、多層及局部埋藏較淺的強(qiáng)透水層堤基的管涌破壞過程及機(jī)理，但針對(duì)含有強(qiáng)透水層的堤基對(duì)堤防工程的滲流穩(wěn)定影響的工程實(shí)例研究還較少見，因此研究含有強(qiáng)透水層的堤基對(duì)堤防工程穩(wěn)定性的影響，防止?jié)B透破壞具有重要意義。本文針對(duì)賀州市賀江干流堤防工程實(shí)例，分析含有埋置深度不同、厚度不同的強(qiáng)透水層堤基對(duì)堤防工程滲流穩(wěn)定的影響。

2 軟件介紹

Geo-Studio軟件為國際巖土界享有盛名的Fredlund教授從20世紀(jì)70年代開始研發(fā)，經(jīng)過40多年的發(fā)展，它已經(jīng)成為世界級(jí)的邊坡穩(wěn)定性分析和非飽和滲流、地震動(dòng)力響應(yīng)方面的專業(yè)軟件。SEEP/W是Geo-Studio系列軟件中非常重要的一個(gè)軟件，是非飽和土滲流方面的專業(yè)分析軟件。SEEP/W是基于有限元方法進(jìn)行土體滲流分析的數(shù)值模擬軟件，廣泛應(yīng)用于巖土工程相關(guān)的滲流分析，基于非飽和土力學(xué)的計(jì)算原理使得SEEP/W能夠處理飽和及非飽和滲流[5]。

3 工程概況

賀江干流某段堤防工程采用土堤+草皮護(hù)坡的形式。堤頂總寬6.0m，臨水側(cè)堤肩設(shè)高0.5 m防浪墻，堤頂路面采用普通瀝青路面。堤防按照50年一遇設(shè)計(jì)，土堤迎水側(cè)坡面坡比1∶3，背水側(cè)坡面坡比為1∶2，坡面種植草皮綠化，堤身填土采用均值黏性土壓實(shí)，填土清基不小于0.5 m，壓實(shí)度不小于0.93，坡腳采用石籠齒墻壓腳。

該項(xiàng)目河道沿線多為河漫灘及一級(jí)階地，巖土層分布在水平方向上變化較大，在垂直方向上有一定的沉積規(guī)律，但各土層厚度的變化較大。同時(shí)，兩岸的地層分布亦有一定的差異，不同河段的地層結(jié)構(gòu)及工程地質(zhì)條件亦有所差異。

4 計(jì)算分析

4.1 滲流分析原理

滲流分析的理論基礎(chǔ)為達(dá)西定律。達(dá)西定律與連續(xù)方程結(jié)合，從而得到穩(wěn)定滲流的微分方程式：

(1)

式中：kx，ky，kz為3個(gè)滲透主軸方向上的滲透系數(shù)；h為水頭函數(shù)。

在本文中，將堤防滲流問題簡(jiǎn)化為二維滲流問題(x-z面)，從而穩(wěn)定滲流方程為[6]：

(2)

4.2 計(jì)算分析

4.2.1 計(jì)算參數(shù)選取

各類材料物理力學(xué)參數(shù)推薦值見表1。

表1 工程材料物理力學(xué)參數(shù)推薦值

4.2.2 堤防滲流計(jì)算分析

該項(xiàng)目堤防地基巖土層分布在水平方向上變化較大，在垂直方向上有一定的沉積規(guī)律，但各土層厚度的變化較大。本次滲流計(jì)算采用設(shè)計(jì)洪水穩(wěn)定滲流工況，并分別對(duì)強(qiáng)透水層厚度相同、埋置深度不同，強(qiáng)透水層埋置深度相同、厚度不同的地層進(jìn)行滲流分析，從而得出強(qiáng)透水層對(duì)堤防工程滲流穩(wěn)定的影響。強(qiáng)透水層厚度相同、埋置深度不同滲流穩(wěn)定分析結(jié)果見表2及圖1-圖7。強(qiáng)透水層埋置深度相同、厚度不同滲流穩(wěn)定分析結(jié)果見表3及圖8-圖15。

表2 強(qiáng)透水層厚度相同、埋置深度不同滲流穩(wěn)定分析結(jié)果

表3 強(qiáng)透水層厚度不同、埋置深度相同滲流穩(wěn)定分析結(jié)果

圖1 YD2+928不加防滲措施滲透比降云圖

圖2 YD2+928加防滲措施滲透比降云圖

圖3 ZD2+607不加防滲措施滲透比降云圖

圖4 ZD2+607加防滲措施滲透比降云圖

圖5 YD3+120不加防滲措施滲透比降云圖

圖6 YD3+120加防滲措施滲透比降云圖

圖7 ZD3+044 不加防滲措施滲透比降云圖

圖8 YD2+705 不加防滲措施滲透比降云圖

圖9 YD2+705 加防滲措施滲透比降云圖

圖10 ZD2+314 不加防滲措施滲透比降云圖

圖11 ZD2+314 加防滲措施滲透比降云圖

圖12 ZD2+920 不加防滲措施滲透比降云圖

圖13 ZD2+920 加防滲措施滲透比降云圖

圖14 ZD1+977 不加防滲措施滲透比降云圖

圖15 ZD1+977加防滲措施滲透比降云圖

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

由表2及圖1-圖7滲透比降云圖可知，強(qiáng)透水層對(duì)堤防工程的滲透穩(wěn)定存在一定的影響，當(dāng)強(qiáng)透水層厚度相同時(shí)，埋深在4.0 m以下時(shí)，不加防滲措施，出逸點(diǎn)及透水層的滲透比降很難滿足允許滲透比降；當(dāng)強(qiáng)透水層埋深在6.0 m時(shí)，不加防滲措施，出逸點(diǎn)及透水層的滲透比降均能滿足允許滲透比降要求。

由表3及圖8-圖15滲透比降云圖可知，強(qiáng)透水層深度在4.0 m時(shí)，強(qiáng)透水層厚度的減小并不能使強(qiáng)透水層上覆蓋層滲透比降及出逸點(diǎn)的滲透比降滿足允許滲透比降。

由表2、表3和滲透比將云圖可知，強(qiáng)透水層厚度在一定范圍內(nèi)對(duì)堤防工程滲流穩(wěn)定影響較小，反而強(qiáng)透水層的埋置深度在一定范圍內(nèi)對(duì)堤防工程滲流穩(wěn)定影響較大。在堤防工程增加防滲措施之后堤防工程出逸點(diǎn)的滲透比降有明顯的減小，往往防滲措施的底部相對(duì)于堤防其他部位滲透比降較大。

5.2 建 議

在堤防工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)堤防工程地基中的強(qiáng)透水層引起重視。根據(jù)不同地域的堤防工程，針對(duì)有含強(qiáng)透水層地基的堤防工程應(yīng)加強(qiáng)計(jì)算復(fù)核滲流穩(wěn)定性，還應(yīng)重視加垂直防滲之后垂直防滲端部滲透比降對(duì)堤防工程滲流穩(wěn)定的影響。