某臨江防洪古城墻的滲流安全性態(tài)探討

邱莉婷，齊翠閣，俞揚(yáng)峰

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.河南省石漫灘水庫管理局，河南 舞鋼 462500）

0 引言

我國夯土古城墻歷史悠久，作為不可再生的文化資源，其預(yù)防性保護(hù)工作已得到日益重視。目前，國內(nèi)已有學(xué)者開展了關(guān)于夯土古城墻的安全性態(tài)研究工作。敖迎陽［1］將平遙古城墻裂縫分為外包磚砌體結(jié)構(gòu)裂縫和夯土體裂縫，進(jìn)行了裂縫成因分析及有限元計(jì)算，對(duì)裂縫處理方式及界限給出了建議。徐華［2］通過對(duì)平遙古城墻進(jìn)行病害現(xiàn)狀調(diào)查和有限元計(jì)算制定了城墻結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)初步方案。楊國興等［3］進(jìn)行了夯土類平遙古城墻穩(wěn)定主要因素分析和定量數(shù)值計(jì)算，建立了新、舊城墻穩(wěn)定性的半定量化的判定標(biāo)準(zhǔn)和分類原則。張立乾等［4］對(duì)平遙古城墻進(jìn)行了重力作用、重力和地震疊加、降雨導(dǎo)致的浸水軟化等工況下的城墻穩(wěn)定性分析，指出城墻防水、防滲是確保穩(wěn)定的關(guān)鍵。張柯等［5］研究了外包墻潛在破壞面對(duì)西安明城墻的影響，指出外包墻的破壞形態(tài)和砂漿強(qiáng)度、外包墻與內(nèi)芯土之間的摩擦系數(shù)是西安明城墻變形破壞的關(guān)鍵因素。屈華楠［6］針對(duì)夯土城墻包磚與否、包磚與夯土建造時(shí)間差異以及受力狀態(tài)的不同進(jìn)行了城墻結(jié)構(gòu)性病害分析，并以西安城墻為例，采用強(qiáng)度折減系數(shù)法探討了城墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定災(zāi)變機(jī)理。王玉蘭［7］針對(duì)干旱區(qū)夯土城墻環(huán)境特點(diǎn)和病害特征，對(duì)其城墻破壞模式、破壞判據(jù)、殘損及健康狀態(tài)預(yù)判等進(jìn)行了研究。周遠(yuǎn)強(qiáng)［8］對(duì)西部某古城墻磚土結(jié)構(gòu)做了劣化穩(wěn)定性分析，指出相對(duì)于城墻砌體材料劣化，夯土材料劣化對(duì)城墻的損害更大。張浩揚(yáng)等［9］以河北萬全右衛(wèi)城為研究對(duì)象，結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析了土磚結(jié)構(gòu)劣化過程中城墻的整體穩(wěn)定性，提出城墻保護(hù)工作需綜合外包磚墻修復(fù)和降排水措施。周長東等［10］通過考慮墻體材料的滲透系數(shù)、吸濕曲線和初始孔隙率，模擬了不同降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度工況下故宮城墻的安全性態(tài)。沈旸等［11］從基礎(chǔ)形式、夯層厚度與構(gòu)造、鋪設(shè)植物枝條加筋等方面揭示了夯土城墻的材料與構(gòu)造特點(diǎn)。由上可知，目前針對(duì)夯土類古城墻的安全性態(tài)研究成果已較為豐富，但研究對(duì)象主要集中在北方干旱地區(qū)，而地處雨量豐沛南方地區(qū)的夯土類古城墻，在服役期間常遭遇臺(tái)風(fēng)、持續(xù)強(qiáng)降雨等工況，其安全性態(tài)也亟需予以關(guān)注。

某臨江夯土包磚古城墻工程位于浙江省臨海市，具有軍事防御與防洪雙重功能［12］，防洪標(biāo)準(zhǔn)為 50 年一遇。城墻營建利用山形水勢(shì)，城墻西段、南段臨江，北段沿北固山的山脊而建。建筑構(gòu)造含主城門、城墻、墩臺(tái)（馬面）、空心敵臺(tái)、城樓、捍城等。城墻內(nèi)部為內(nèi)夯土，外表包一層磚石，墻頂面鋪設(shè)石板。城墻現(xiàn)狀實(shí)測(cè)高度距地面 5～6.8 m 不等（至城墻頂面石板），墻寬約同墻高，其中東南城墻相對(duì)較低，西北側(cè)較高。城墻頂面凈寬一般在 3.2 m 以內(nèi)，最窄處可有 2.4 m，下部寬度可有 5～8 m 不等。剖面下大上小，總體呈梯形。城墻整體保存較完整，但局部位置仍存在較多病害，如開裂，外鼓，墻頂石板變形錯(cuò)動(dòng)，排水不暢引起下滲，磚石砌體松散、內(nèi)部漿料流失，城磚風(fēng)化碎裂，城門洞拱券滲水等。同時(shí)，臨海市幾乎每年夏天都面臨洪災(zāi)，城墻服役期間屢遭受臺(tái)風(fēng)、降雨侵襲，直接影響城墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。2019 年受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”強(qiáng)降雨影響，城墻局部坍塌，出現(xiàn)長約 5 m 的缺口，且墻體多處出現(xiàn)管涌現(xiàn)象。本文基于該臨江夯土包磚城墻現(xiàn)狀及實(shí)際運(yùn)行工況，選擇其中典型城墻結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行滲流安全復(fù)核，研究墻體在經(jīng)歷洪水時(shí)是否存在隱患，為具有防洪功能的夯土古城墻維修加固提供技術(shù)支持。

1 滲流穩(wěn)定分析

計(jì)算所選典型城墻結(jié)構(gòu)為甕城城墻（見圖 1），其相對(duì)于普通城墻更陡，整體保存狀態(tài)較差，內(nèi)夯土的土質(zhì)及密實(shí)度相對(duì)較差，局部有裂隙、滲水、植物根系生長；包邊磚石保存質(zhì)量一般。根據(jù)城墻工程實(shí)際情況與特點(diǎn)，建立城墻（含內(nèi)夯土與包邊磚石）和地基的有限元模型，進(jìn)行城墻滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算。采用非飽和滲流有限元法，計(jì)算在經(jīng)歷高洪水位和暴雨耦合工況時(shí)的滲流性態(tài)，以及背水側(cè)水頭、滲透坡降、滲流等水力要素；在此基礎(chǔ)上，開展材料參數(shù)、洪水位的敏感性分析，進(jìn)而分析滲流破壞的原因和可能產(chǎn)生的危害。

圖1 夯土古城墻標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式橫斷面圖（單位：mm）

1.1 計(jì)算模型

1）高程及坐標(biāo)說明。取城墻剖面底部中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，向城內(nèi)側(cè)延伸方向?yàn)閤軸正方向；垂直城墻剖面方向?yàn)閥方向；豎直向上方向?yàn)閦軸正方向。

2）滲流計(jì)算的模型范圍。模型上游邊界（臨河側(cè)）截取至城墻中心線上游約 35.00 m（x=-35.00 m），下游邊界（城內(nèi)側(cè)）至城墻中心線下游約 35.00 m（x=35.00 m）。模型底邊界截取至地面線以下 15 m 深處（相對(duì)不透水層），此處高程記為 -15.00 m。

3）滲流計(jì)算的邊界條件。底部截取邊界為不透水邊界；已知水頭邊界包括城墻段上下游水位線以下的地基、包邊磚石、河道；流量邊界（降雨入滲）為城墻外表面及地面，其余為出滲邊界。

4）計(jì)算工況。根據(jù) GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，“滲流計(jì)算宜根據(jù)實(shí)際情況考慮不穩(wěn)定滲流或穩(wěn)定滲流情況”。城墻作為堤防工程擋水，主要受臺(tái)風(fēng)影響，季節(jié)性強(qiáng)，擋水時(shí)段內(nèi)難以形成穩(wěn)定滲流的浸潤線。結(jié)合工程實(shí)際，計(jì)算經(jīng)歷高洪水位（洪水過程線見圖 2）+暴雨耦合下的非穩(wěn)定滲流，模擬分析高洪水位下城墻全過程滲流穩(wěn)定性。計(jì)算工況如表 1 所示，洪水及暴雨過程如表 2 所示。

圖2 洪水過程線

表1 計(jì)算工況

表2 “利奇馬”洪水計(jì)算時(shí)段

5）計(jì)算參數(shù)與敏感性分析。根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告及相關(guān)圖紙，參照類似工程，依據(jù) GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》確定模型的材料分區(qū)與計(jì)算參數(shù)。材料分區(qū)如圖 3 所示，計(jì)算參數(shù)如表 3 所示。

圖3 材料分區(qū)圖示意圖

表3 模型計(jì)算參數(shù)

鑒于各城墻段內(nèi)夯土密實(shí)程度不同、包邊磚石的保存狀況差異較大（局部磚石風(fēng)化嚴(yán)重，砌體松散，內(nèi)部漿料流失）。在高洪水位工況（G）下開展內(nèi)夯土材料的敏感性分析，同時(shí)結(jié)合包邊磚石作為防滲體失效與否進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，具體敏感性分析情況如表 4 所示。

表4 敏感性分析工況

6）有限元模型。斷面上主要包括包邊磚石、內(nèi)夯土、地基等分區(qū)，采用控制斷面超單元自動(dòng)剖分技術(shù)，根據(jù)需要對(duì)上述計(jì)算區(qū)域切取控制剖面，并據(jù)此形成超單元。加密細(xì)分后形成有限單元網(wǎng)格，生成的有限元模型結(jié)點(diǎn)總數(shù)為 4 102，單元總數(shù)為 2 249。有限元網(wǎng)格如圖 4 所示。

圖4 城墻有限元網(wǎng)格圖

1.2 滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

1.2.1 滲流場分布

1）包邊磚石防滲作用失效。這里給出 G-2 工況下部分典型時(shí)段的滲流位勢(shì)分布（見圖 5～圖 7）。可知，各敏感性分析情況下，隨著上游洪水位的升高，城墻內(nèi)部浸潤線不斷升高。當(dāng)上游洪水升至最高水位時(shí)，城墻內(nèi)部存在最大滲透坡降；隨著洪水的消退，內(nèi)夯土內(nèi)的浸潤線進(jìn)一步擴(kuò)展，在背水坡形成出滲；當(dāng)洪水降落至最低點(diǎn)，內(nèi)部滲透較小時(shí)，內(nèi)夯土內(nèi)孔隙水下降較慢，在臨水坡形成較大滲透坡降。

圖5 G-2 工況第四時(shí)段末位勢(shì)分布圖（洪水漲至最高）

圖6 G-2 工況第六時(shí)段末位勢(shì)分布圖

圖7 G-2 工況第八時(shí)段末位勢(shì)分布圖（洪水降落至最低）

2）包邊磚石防滲作用良好。這里給出 G-5 工況部分時(shí)段的滲流位勢(shì)分布（見圖 8、圖 9）?？芍?，各敏感性分析情況下，隨著上游洪水位的升高，城墻內(nèi)部浸潤線不斷升高，浸潤線在包邊磚石處存在陡降，水頭損失主要由包邊磚石承擔(dān)，城墻內(nèi)夯土浸潤線較低。隨著洪水過程的消退，內(nèi)夯土內(nèi)的浸潤線也隨之下降，而包邊磚石內(nèi)部浸潤線下降緩慢。

圖8 G-5 工況第四時(shí)段末位勢(shì)分布圖（洪水漲至最高）

圖9 G-8 工況第八時(shí)段末位勢(shì)分布圖（洪水降落至最低）

1.2.2 滲透坡降及暫態(tài)飽和區(qū)分布

最大滲透坡降皆出現(xiàn)在第四時(shí)段，即洪水升至最高的時(shí)段；當(dāng)水位降至最低點(diǎn)時(shí)，存在最大臨水坡降；當(dāng)滲透系數(shù)較?。℅-1 工況），會(huì)在下游坡出逸，且背水坡滲透坡降大于允許滲透坡降。允許滲透坡降考慮內(nèi)夯土性質(zhì)，參照相關(guān)工程進(jìn)行類比。暫態(tài)飽和區(qū)分別取第四時(shí)段（洪水位升至最高）及第八時(shí)段（洪水位降至最低）范圍，以數(shù)字計(jì)，表示從表層向內(nèi)大概距離。高洪水位（G）工況全過程滲流計(jì)算結(jié)果如表 5 所示。

表5 高洪水位（G）工況滲流計(jì)算結(jié)果

2 暴雨工況敏感性分析

2.1 計(jì)算工況

根據(jù) GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，多雨地區(qū)的土堤應(yīng)根據(jù)內(nèi)夯土的滲透和堤坡防護(hù)條件，核算長期降雨時(shí)堤坡的抗滑穩(wěn)定性?？紤]到 2016 年南門甕城墻體在暴雨過后發(fā)生坍塌事故，本文核算不同暴雨強(qiáng)度下城墻的暫態(tài)飽和區(qū)。

暴雨敏感性分析計(jì)算基于水位穩(wěn)定且包邊磚石防滲作用失效的情況下，分別計(jì)算不同滲透系數(shù)的內(nèi)夯土在不同暴雨強(qiáng)度影響下典型城墻的最大暫態(tài)飽和區(qū)。其中地下水位取地表面以下 5 m 處，高程計(jì)為 -5.00 m；上游穩(wěn)定水位取河道水位，取地表面以下 4 m 處，高程計(jì)為 -4.00 m。敏感性分析具體計(jì)算工況如表 6 所示。其中，雨強(qiáng)和暴雨歷時(shí)根據(jù)中國暴雨標(biāo)準(zhǔn)量定級(jí)別，分別取暴雨等級(jí)為中國暴雨黃色預(yù)警（6 h 降雨量達(dá) 50 mm）、中國暴雨橙色預(yù)警（3 h 降雨量達(dá) 50 mm）、中國暴雨紅色預(yù)警（3 h 降雨量達(dá) 100 mm）的情況，相應(yīng)雨強(qiáng)分別為2.31×10-6m/s、4.63×10-6m/s、9.26×10-6m/s。

表6 暴雨工況敏感性分析

2.2 敏感性結(jié)果分析

在相同暴雨強(qiáng)度影響下歷經(jīng)相應(yīng)時(shí)間，滲透系數(shù)較大時(shí)，該城墻段內(nèi)夯土中將形成全飽和；滲透系數(shù)越小即內(nèi)夯土越密實(shí)，該城墻段暫態(tài)飽和區(qū)面積越小。當(dāng)內(nèi)夯土滲透系數(shù)相同時(shí)，暴雨強(qiáng)度越大，該城墻段暫態(tài)飽和區(qū)面積越大。暫態(tài)飽和區(qū)范圍以數(shù)字計(jì)，表示從表層向內(nèi)大概距離。主要成果整理如表 7 及圖 10～圖 12 所示。

圖10 工況 3 下暫態(tài)飽和區(qū)分布圖

圖11 工況 9 下暫態(tài)飽和區(qū)分布圖

圖12 工況 11 下暫態(tài)飽和區(qū)分布圖

表7 暴雨工況敏感性分析計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

甕城城墻段，現(xiàn)狀整體保存較差，夯土密實(shí)度相對(duì)較差，包邊磚石質(zhì)量一般?；谖闹袛M定工況與參數(shù)下的敏感性分析可知，該類型城墻滲流安全性不能滿足要求，具體結(jié)論如下。

1）當(dāng)填土結(jié)構(gòu)較為松散時(shí)，夯土自身穩(wěn)定性較差，在暴雨及洪水工況下，易對(duì)城墻結(jié)構(gòu)整體安全產(chǎn)生不利影響。暴雨工況敏感性分析表明，城墻暫態(tài)飽和區(qū)受內(nèi)夯土滲透系數(shù)及暴雨強(qiáng)度影響均較大。運(yùn)行維護(hù)工作應(yīng)保證內(nèi)部填土夯實(shí)質(zhì)量。

2）當(dāng)填土結(jié)構(gòu)松散而砌石結(jié)構(gòu)完整時(shí)，其滲流安全穩(wěn)定性皆有較大改善。因而，維修加固過程應(yīng)注意提升城墻邊坡砌石質(zhì)量。

3）當(dāng)頂部防滲失效，降雨大量入滲，易導(dǎo)致墻頂中部沉陷，兩邊砌石體承受較大的壓力將直接影響邊坡穩(wěn)定。運(yùn)行維護(hù)過程中應(yīng)保證城墻頂及邊坡的防滲性能。Q