雙側(cè)臨水堤防滲流穩(wěn)定計(jì)算分析

謝雅海

(贛州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，江西 贛州 341000)

近70年來(lái)，中國(guó)達(dá)標(biāo)堤防的長(zhǎng)度為21.76萬(wàn)km[1]，作為江、河、湖的擋水建筑物，是抵御洪水的最后屏障，為防洪減災(zāi)事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。在沿江地區(qū)防洪體系中，土堤因其投資省、施工簡(jiǎn)單、原材料采購(gòu)運(yùn)輸方便、能適應(yīng)地基變形和地基應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，是堤防的采取主要型式。

土堤采用的主要原材料為土，土由碎散土顆粒形成的土骨架和充滿其中的氣體、液體組成，具有碎散性和三相性的特點(diǎn)。土的碎散性會(huì)導(dǎo)致土顆粒在壓力下相互移動(dòng)靠近，因而可以有很大的體應(yīng)變；土的三相中，水在勢(shì)差作用下可以流動(dòng)，流經(jīng)土顆粒的水流會(huì)對(duì)土顆粒和土骨架施加力的作用，上述兩種原因會(huì)導(dǎo)致土的變形、滑坡、滲流和滲透破壞。在中國(guó)已建成的土堤中，有不少興建時(shí)間早，防洪標(biāo)準(zhǔn)低，質(zhì)量較差，在1998年長(zhǎng)江特大洪水期間，共發(fā)生過(guò)數(shù)千處險(xiǎn)情和幾次大潰堤[2]，這都是由于滲流和滲透破壞引起的災(zāi)難。因此，在長(zhǎng)期與水的相互作用過(guò)程中，土堤的穩(wěn)定至關(guān)重要。

在珠江水系三大干流之一—東江流域范圍內(nèi)，近60a降雨徑流趨勢(shì)總體保持平穩(wěn)[3]，汛期持續(xù)時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)半年(4—9月)且降雨量大，城鎮(zhèn)地區(qū)外江受上游降雨影響，河水急劇上漲，水位較高，易與內(nèi)河形成較大的水位差，同時(shí)，當(dāng)該地區(qū)也進(jìn)入暴雨時(shí)期時(shí)，由于多數(shù)內(nèi)河較為窄小，渠道淤積，過(guò)流能力較為不足，水位也將在短時(shí)間內(nèi)急劇抬升，分隔外江與內(nèi)河的土堤在短時(shí)間內(nèi)將經(jīng)歷較大水位差和雙側(cè)高水位工況，因而土堤中極易產(chǎn)生較大滲流，引起土堤內(nèi)流土和管涌等現(xiàn)象，堤防將面臨較大的滲流和抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，存在較大安全隱患和滑坡危險(xiǎn)?？菟诮涤陱搅髭厔?shì)自20世紀(jì)60年代開始—2005年有顯著增加。在近10a(2005—2015年)實(shí)施防洪供水為主的調(diào)度方針后，汛期和枯水期的降雨徑流特征均無(wú)顯著變化。

因此，在汛期，內(nèi)河和外江的水位差變化較大，堤防內(nèi)部產(chǎn)生非穩(wěn)定滲流。在枯水期，內(nèi)河和外江水位差變化很小，堤防內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定滲流。設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)上述情況進(jìn)行滲流和抗滑分析。

1 工程概況

本電排站堤防位于惠州市博羅縣園洲鎮(zhèn)，屬于東江支流—沙河下游以北、東博排洪渠下游右岸的新村澇區(qū)，堤防起點(diǎn)為東博排洪渠與福田河交界處，終點(diǎn)為東博排洪渠匯入沙河處，堤長(zhǎng)2.81km。堤身為土堤，堤基粉質(zhì)黏土、黏土、殘積土，局部堤基為淤泥質(zhì)黏土和中砂層，東博排洪渠堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇，堤防級(jí)別為4級(jí)；主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)?，F(xiàn)狀土堤位置需新建電排站，由于現(xiàn)狀土堤建成年代較久，且為鎮(zhèn)交通要道，必須進(jìn)行堤防滲流和抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。

1.1 地層巖性

根據(jù)地勘鉆孔資料，在鉆探深度范圍內(nèi)地基巖土層分布自上而下為人工填筑土(Qml)、第四系沖積沉積層(Qal)和侏羅系(J)砂巖等。

<1>填筑土：褐黃色，濕，主要為粉粒和黏粒，壓實(shí)性較好，主要為堤防填筑土，此層層底高程在4.4-5.2m(85國(guó)家高程，以下同)，鉆孔揭露最大厚度約4.2m。

<2-1>粉質(zhì)黏土：呈褐黃色、灰白色，飽和，主要為粉粒和黏粒，此層層底程-0.5-3.1m，厚度1.8-5.8m。

<2-2>淤泥質(zhì)黏土：深灰色、灰黑色，飽和，主要為淤泥質(zhì)黏性土，含有機(jī)腐殖物，具有泥臭味，局部夾有粉細(xì)砂，此層層底高程-7.7-2.5m，厚度0.6-7.2m。

<2-3>黏土：灰白色、黃色、褐紅色等雜色，濕-飽和，質(zhì)較純，切面較光滑，主要礦物成份為高嶺土，此層層頂高程在1.0-2.6m，厚度3.5-8.6m。

<3>殘坡積土：多為紫紅色，主要為泥質(zhì)粉砂巖風(fēng)化殘坡積而成，含有未完全風(fēng)化的小礫石，黏著性較好。此層層頂高程在-7.7--0.9m，鉆孔揭露厚度2.2-7.2m。

<4-1>強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色，濕，裂隙較發(fā)育，粉細(xì)結(jié)構(gòu)，頂界高程為-10.5--7.2m，鉆孔揭露厚度為1.9-5.5m。

<4-2>中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色，濕，巖性較硬，層狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，泥鐵質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較好，頂界高程為-13.1--10.7m，鉆孔揭露厚度為1.7-2.5m。

1.2 堤防工程地質(zhì)條件

根據(jù)實(shí)地踏勘、調(diào)查及地質(zhì)鉆探結(jié)果揭露分析，堤基土表層為填筑土和粉質(zhì)黏土，下部為淤泥質(zhì)黏土、黏土、殘積土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

堤身組成中，填筑土層屬中等透水層，粉質(zhì)黏土、黏土、殘積土層屬微透水等級(jí)，這類堤身土一般不會(huì)造成堤基滲漏和滲透破壞，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)復(fù)核其滲透穩(wěn)定。但在部分堤段堤身分布有淤泥質(zhì)黏土<2-2>，在該土層之上新建水工建筑物容易導(dǎo)致土層剪應(yīng)力的增加，從而引起堤身失穩(wěn)，局部土體滑移。建議采用水泥攪拌樁對(duì)新建水工建筑物底部地基進(jìn)行處理，樁底深入殘積土層以下1.0m。

根據(jù)堤圍實(shí)際可能存在的工程地質(zhì)問(wèn)題，結(jié)合下部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，按《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》(SL188-2005)[4]中附錄C，堤基的地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類為多層結(jié)構(gòu)，堤基的工程地質(zhì)條件為C類，存在堤基滲漏、滲透破壞和失穩(wěn)等問(wèn)題，歷史險(xiǎn)情普遍，地質(zhì)條件較差。

2 堤防穩(wěn)定分析

2.1 計(jì)算方法

在一般的土堤滲流分析中，通常將滲流場(chǎng)等同為平面問(wèn)題進(jìn)行分析，并由此形成了滲流力學(xué)，這其中法國(guó)工程師Darcy通過(guò)滲流實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而提出了非均各向異性二維滲流場(chǎng)，該滲流場(chǎng)能較好的進(jìn)行堤防滲流穩(wěn)定檢驗(yàn)，其中水頭勢(shì)函數(shù)滿足以下微分方程：

(1)

式中：φ=φ(x，y)為待求水頭勢(shì)函數(shù)；x，y為平面坐標(biāo)；kx，ky為x,y為方向的滲透系數(shù)；

代入水頭φ的邊界條件:

1)在上游水頭邊界上已知：

φ=φn

(2)

2)在逸出邊界水頭和位置高程相等：

φ=z(1-3)

(3)

3)在某邊界上滲流量q已知：

(4)

式中：lx，ly為在邊界表面向外法線在x，y為方向的余弦。

利用有限元方法網(wǎng)格化滲流場(chǎng)，設(shè)單元滲流場(chǎng)中的水頭函數(shù)勢(shì)φ為多項(xiàng)式，由上述方程和邊界條件，可得出現(xiàn)線性方程組：

[H]{φ}={F}

(5)

式中：[H]為滲透矩陣；{φ}為滲流場(chǎng)水頭；{F}為節(jié)點(diǎn)滲流量。

求解方程組可得節(jié)點(diǎn)水頭，進(jìn)而求得單元的水力坡降、流速等物理量。求解土堤滲流場(chǎng)的關(guān)鍵一步是確定土堤內(nèi)浸潤(rùn)線的位置，Autobank軟件采取節(jié)點(diǎn)流量平衡法，為簡(jiǎn)便計(jì)算，將土質(zhì)等同為各向同性的特殊情況，利用迭代計(jì)算確定自由面位置，也即浸潤(rùn)線位置，算出滲流量，并計(jì)算出土堤抗滑穩(wěn)定系數(shù)，由此判別土堤的滲透穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定，預(yù)測(cè)可能發(fā)生滲透破壞的具體位置，正確評(píng)價(jià)土堤的安全性。文章將利用該軟件進(jìn)行土堤滲流穩(wěn)定分析。

2.2 計(jì)算工況

本工程計(jì)算工況選取中，臨水側(cè)為外江東博排洪渠，背水側(cè)為內(nèi)河新村排渠。新村澇區(qū)圍內(nèi)地勢(shì)低洼，而汛期外江水位較高，每逢暴雨時(shí)，因外江水位頂托，圍內(nèi)澇水無(wú)法自排。由于近年來(lái)城市化建設(shè)不斷加快，新村澇區(qū)內(nèi)新村排渠九潭圩鎮(zhèn)段斷面狹小、渠道淤積、堵塞嚴(yán)重，過(guò)流能力嚴(yán)重不足，同時(shí)，該段堤防內(nèi)河側(cè)由于地勢(shì)起伏大，形成天然洼地，地質(zhì)條件較差，因此利用Autobank軟件對(duì)其滲流和抗滑穩(wěn)定進(jìn)行模型計(jì)算。由《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)[5]，滲流計(jì)算水位選取最不利組合情況為：

1)設(shè)計(jì)工況：臨水側(cè)河道水位為設(shè)計(jì)洪水位，背水側(cè)無(wú)水的背水側(cè)堤坡穩(wěn)定。

2)設(shè)計(jì)驟降工況：臨水側(cè)河道水位6h內(nèi)從設(shè)計(jì)水位9.43m降落至最低運(yùn)行水位4.50m，背水側(cè)無(wú)水的臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算水位選取最不利組合情況為：

1)設(shè)計(jì)工況：臨水側(cè)河道水位為設(shè)計(jì)洪水位，背水側(cè)無(wú)水的背水側(cè)堤坡穩(wěn)定。

2)設(shè)計(jì)驟降工況：臨水側(cè)河道水位6h內(nèi)從設(shè)計(jì)水位9.43m降落至最低運(yùn)行水位4.50m，背水側(cè)無(wú)水的臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定。

3)施工期工況：臨水側(cè)、背水側(cè)均無(wú)水，施工荷載10kN/m2的堤坡穩(wěn)定。

2.3 滲流穩(wěn)定計(jì)算

2.3.1 計(jì)算模型

本次計(jì)算主要選取電排站堤防某樁號(hào)堤防斷面(擬定電排站中心線位置)，計(jì)算斷面，見圖1。堤頂寬6m，堤頂高程9.80m，臨水側(cè)堤腳高2.00m，背水側(cè)堤腳高程7.00m，外坡1∶3，內(nèi)坡1∶2.5。

圖1 計(jì)算斷面

2.3.2 土層參數(shù)

土層參數(shù)表，見表1。

表1 土層參數(shù)表

2.3.3 滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)上述工況及土層各類參數(shù)，在CAD中畫出典型計(jì)算斷面，將斷面導(dǎo)入Autobank中，設(shè)置土層參數(shù)及工況水位條件，進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析計(jì)算，現(xiàn)狀堤防設(shè)計(jì)洪水工況滲流結(jié)果計(jì)算圖(水頭等值線圖)；見圖2；現(xiàn)狀堤防設(shè)計(jì)洪水工況滲流結(jié)果計(jì)算圖(滲透坡降等值線圖)，見圖3；現(xiàn)狀堤防設(shè)計(jì)驟降工況滲流結(jié)果計(jì)算圖(水頭等值線圖)，見圖4；現(xiàn)狀堤防設(shè)計(jì)驟降工況滲流結(jié)果計(jì)算圖(滲透坡降等值線圖)，見圖5。

1)設(shè)計(jì)工況：

圖2 現(xiàn)狀堤防設(shè)計(jì)洪水工況滲流結(jié)果計(jì)算圖(水頭等值線圖)

圖3 現(xiàn)狀堤防設(shè)計(jì)洪水工況滲流結(jié)果計(jì)算圖(滲透坡降等值線圖)

2)設(shè)計(jì)驟降工況：

圖4 現(xiàn)狀堤防設(shè)計(jì)驟降工況滲流結(jié)果計(jì)算圖(水頭等值線圖)

圖5 現(xiàn)狀堤防設(shè)計(jì)驟降工況滲流結(jié)果計(jì)算圖(滲透坡降等值線圖)

2.3.4 抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

1)設(shè)計(jì)工況：

設(shè)計(jì)工況背水側(cè)最危險(xiǎn)滑面簡(jiǎn)圖，見圖6。

圖6 設(shè)計(jì)工況背水側(cè)最危險(xiǎn)滑面簡(jiǎn)圖

2)設(shè)計(jì)驟降工況：

設(shè)計(jì)驟降工況臨水側(cè)、背水側(cè)最危險(xiǎn)滑面簡(jiǎn)圖，見圖7。

圖7 設(shè)計(jì)驟降工況臨水側(cè)、背水側(cè)最危險(xiǎn)滑面簡(jiǎn)圖

3)施工期工況：

施工期工況臨水側(cè)、背水側(cè)最危險(xiǎn)滑面簡(jiǎn)圖，見圖8。

2.3.5 計(jì)算結(jié)論

堤防滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表，見表2；堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表，見表3。

表2 堤防滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

表3 堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

由《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)，4級(jí)堤防土堤邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如下：采用瑞典圓弧法計(jì)算設(shè)計(jì)工況、設(shè)計(jì)驟降工況為1.15，施工期工況為1.05。

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果可以看出，現(xiàn)狀堤防在設(shè)計(jì)工況和設(shè)計(jì)驟降工況的逸出點(diǎn)水力坡降均小于允許坡降0.39(淤泥質(zhì)黏土)，滿足滲流穩(wěn)定要求；現(xiàn)狀堤防在設(shè)計(jì)工況下背水側(cè)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.13<規(guī)范規(guī)定值1.15，不滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)驟降工況和施工期工況大于規(guī)范規(guī)定值，滿足規(guī)范要求。

2.3.6 地基處理建議

由上述運(yùn)算結(jié)果得，設(shè)計(jì)工況下背水側(cè)抗滑穩(wěn)定系數(shù)1.13<1.15，不滿足規(guī)范要求，因而在該段位置修建泵站、水閘及擋土墻等建筑物時(shí)，需對(duì)背水側(cè)淤泥質(zhì)黏土層采取必要的基礎(chǔ)處理措施，以滿足滲流穩(wěn)定要求，建議對(duì)0m高程以上部分采用6%水泥砂漿換填的處理措施，在建筑、水閘底板及擋墻下部設(shè)置樁徑0.5m、樁中心距1m的水泥攪拌樁，平均樁長(zhǎng)10m，梅花形布置，樁端深入泥質(zhì)粉砂巖0.5m，并滿足地基承載力要求。對(duì)于管養(yǎng)房等地面上部建筑，建議采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行地基處理，樁端深入泥質(zhì)粉砂巖0.5m，位置處于上部建筑承重柱下方，并達(dá)到地基承載力要求。

3 結(jié) 論

Autobank軟件綜合利用了達(dá)西定律、瑞典圓弧法和有限元法等方法，通過(guò)模型能比較好的演算土堤典型斷面的堤防穩(wěn)定情況，得出設(shè)計(jì)工況下背水側(cè)抗滑穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范要求，現(xiàn)狀土堤不滿足設(shè)計(jì)要求，可為本段土堤的基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)方案提供有力的依據(jù)，為后續(xù)的工程設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。