倒掛井阻滲對(duì)古防洪堤滲流穩(wěn)定的影響

李騫 周建芬 秦子鵬 曹明杰 嚴(yán)芳

摘要：

在中國(guó)許多地方，仍有古防洪堤在發(fā)揮防洪、航運(yùn)等功能。為了探究經(jīng)不同古堤修復(fù)加固技術(shù)修葺后，洪水漲落對(duì)古防洪堤中土體滲流穩(wěn)定的影響機(jī)制，構(gòu)建了多孔連續(xù)介質(zhì)的飽和-非飽和二維滲流有限元模型，模擬分析原狀強(qiáng)透水結(jié)構(gòu)和設(shè)置倒掛井帷幕防滲結(jié)構(gòu)兩種情況下，古堤的地下水位、孔隙水壓力和滲流比降的變化和分布規(guī)律。結(jié)果顯示：設(shè)置倒掛井帷幕防滲結(jié)構(gòu)后，古堤內(nèi)側(cè)的地下水位峰值降低7.6%，倒掛井后孔隙水壓力及滲流比降大幅降低，但局部孔隙水壓力極值和堤腳的滲流比降最大值提高?？梢?jiàn)古堤內(nèi)側(cè)設(shè)置防滲結(jié)構(gòu)可有效減少古防洪堤堤后水位及相應(yīng)水壓力、滲透力，但是古堤與倒掛井之間滲流比降增大，對(duì)此可通過(guò)低壓灌漿等措施提高土粒的黏結(jié)力，抑制堤后發(fā)生管涌等滲透失穩(wěn)。

關(guān) 鍵 詞：

古防洪堤； 倒掛井； 地下水位； 孔隙水壓力； 滲流比降； 飽和-非飽和模型

中圖法分類號(hào)： TV871

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.033

0 引 言

中國(guó)許多地方的古防洪堤兼航運(yùn)、防洪、軍事防御功能于一身，如荊州、壽州、臺(tái)州等地的古堤均是如此［1-5］。部分古碼頭和防洪江堤一起構(gòu)成整體，至今仍在發(fā)揮航運(yùn)功能。對(duì)兼具防洪和航運(yùn)功能古防洪堤的保護(hù)加固，涉及到城建、水利、文化、民政等多個(gè)部門(mén)，修葺保護(hù)所面對(duì)的技術(shù)性問(wèn)題比較復(fù)雜，特別是針對(duì)古堤頻發(fā)的管涌問(wèn)題，需要從多孔連續(xù)介質(zhì)的飽和-非飽和滲流理論方法入手開(kāi)展研究，才可以得出準(zhǔn)確的結(jié)果和科學(xué)結(jié)論。

現(xiàn)存的古防洪堤一般臨江而立，因此鄰城市中心，與市政設(shè)施融為一體，經(jīng)過(guò)歷代的修葺，至今仍然在發(fā)揮其防洪和航運(yùn)的作用，同時(shí)也成為了獨(dú)具特色的地方文化與水文化承載體。近年來(lái)，隨著防洪安全要求的提升和防洪標(biāo)準(zhǔn)的提高，防洪古堤及碼頭的保護(hù)和加固面臨許多亟待解決的問(wèn)題。由于古碼頭文物保護(hù)修葺工程要求必須保持文物本體原構(gòu)，其修葺所用膠凝材料須選用石灰基材料，這給古碼頭的加固帶來(lái)了挑戰(zhàn)。其中季節(jié)性河流水位急劇漲落對(duì)古堤的滲流穩(wěn)定性影響很大，常常引發(fā)滲流失穩(wěn)和管涌問(wèn)題，進(jìn)而威脅古防洪堤的安全，研究不同修復(fù)技術(shù)對(duì)碼頭滲流穩(wěn)定影響的作用機(jī)制具有重要理論和實(shí)際意義。

近些年，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)展了地下水滲流特性對(duì)岸坡滲流穩(wěn)定影響的研究。依據(jù)非飽和土體含水率、基質(zhì)吸力及滲流系數(shù)的關(guān)系，提出飽和-非飽和土體的滲流方程［6-8］?；跐B流與侵蝕耦合方程可知，非飽和土層孔隙水壓力增大，水力梯度大于初始水力梯度，細(xì)顆粒相從土體中運(yùn)移流失，從而產(chǎn)生變形失穩(wěn)［9-13］?？紤]到地下水的滲流作用機(jī)理，工程中對(duì)地下水的主要防治理念是“防滲阻截”，即通過(guò)工程措施減少地表滲入和削弱地下滲流。王飛將帷幕技術(shù)應(yīng)用于邊坡工程中，利用滲流阻截帷幕削弱坡體地下水位滲流，提高邊坡穩(wěn)定性［14］。許燁霜等研究地下構(gòu)筑物阻擋地下水滲流作用，得到地下構(gòu)筑物對(duì)地下水及地表沉降的影響程度與構(gòu)筑物在含水層中的深度及擋水寬度的關(guān)系［15］。針對(duì)多層堤基結(jié)構(gòu)管涌動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，王霜利用有限元分析軟件模擬了管涌發(fā)展不同階段堤基內(nèi)部滲流場(chǎng)分布［16］。為了揭示降水對(duì)于岸坡變形發(fā)展的影響規(guī)律和不利因素，何紹衡等建立了深厚透水土層的懸掛式止水帷幕的分級(jí)降水三維流固耦合模型［17］。郭一鵬等開(kāi)展了毛細(xì)透排水管排水滲流模型及設(shè)置間距研究，得到地下水位變化下毛細(xì)透排水管排水的穩(wěn)定滲流模型和非穩(wěn)定滲流模型［18］。從宏微觀尺度，學(xué)者對(duì)滲透系數(shù)與岸坡的滲流穩(wěn)定性關(guān)系及防治措施做了較多的研究［19-22］。但是，針對(duì)古防洪堤岸坡土體特性和地下水位波動(dòng)影響土骨架中水相的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究還不夠深入，因水位驟變?cè)斐傻姆欠€(wěn)態(tài)滲流影響結(jié)構(gòu)基土穩(wěn)定的過(guò)程研究還不夠充分。針對(duì)不同構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)和工況變化引發(fā)的管涌等滲流穩(wěn)定分析，需要綜合應(yīng)用飽和-非飽和滲流理論和管涌本構(gòu)模型，才能準(zhǔn)確模擬非穩(wěn)態(tài)滲流引發(fā)管涌的機(jī)制和規(guī)律。

本文以位于浙江衢江和金華江交匯口下游的蘭溪古防洪堤為對(duì)象，建立多孔連續(xù)介質(zhì)的飽和-非飽和非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模型；分析洪水漲落對(duì)古防洪堤滲流穩(wěn)定性的影響規(guī)律，模擬古堤文物原構(gòu)背側(cè)設(shè)置倒掛井作為帷幕阻滲的滲流規(guī)律，探究地下水位時(shí)程變化對(duì)古堤滲