濱江城市堤防工程滲透特性分析

摘 要：針對(duì)濱江城市的堤防工程安全檢測(cè)問題，本文提出了一種滲透特性的分析方法。選取了安慶市作為長(zhǎng)江沿江城市的代表，以安慶市的濱江大道堤防工程為具體研究案例。綜合考慮滲流水流速、滲流水流量、土質(zhì)滲透系數(shù)等多個(gè)參數(shù)，建立了堤防工程滲透特性的計(jì)算模型。結(jié)合MATLAB和有限元軟件，構(gòu)建了安慶市濱江大道堤防工程的截面圖。給出了黏土的土基質(zhì)吸附力變化曲線和浸潤(rùn)線下堤防工程承受的水力變化，據(jù)此進(jìn)行了滲透特性的計(jì)算和分析，給出了濱江大道堤防工程處在安全等級(jí)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：濱江城市；堤防工程；滲透特性

中圖分類號(hào)：TV 87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃落實(shí)，濱江城市的沿江道路和生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)與城市防洪工程的聯(lián)系越來越密切[1]。如何在確保城市防洪安全的前提下，建設(shè)城市沿江道路、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，成為水利工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題[2]。長(zhǎng)江是我國(guó)最長(zhǎng)的河流，流域內(nèi)水系覆蓋面積大，濱江城市眾多。從城市發(fā)展和安全需要的角度出發(fā)，長(zhǎng)江沿線的濱江城市大多修有堤防工程。但是，這些沿江而建的地方工程，受地理等因素限制，防洪標(biāo)準(zhǔn)一般不高且現(xiàn)有情況較差。自1998年大洪水以后，長(zhǎng)江流域內(nèi)濱江城市也沒有進(jìn)行普遍意義上的統(tǒng)一的堤防工程建設(shè)。從現(xiàn)有的情況來看，全流域內(nèi)濱江城市的堤防工程普遍以54型防洪標(biāo)準(zhǔn)為主，還有進(jìn)一步提升的空間[3]。針對(duì)這種情況，本文結(jié)合安慶市濱江大道堤防工程進(jìn)行滲透特性分析，以期更好地提升濱江城市的堤防工程建設(shè)質(zhì)量。

1 濱江城市堤防工程案例分析

1.1 濱江城市堤防現(xiàn)狀

為了滿足濱江的城市特征，本文選擇安慶市作為代表。從地理位置上來看，安慶市屬于安徽省的地級(jí)市，為安徽省、湖北省、江西省三省交匯的要沖。安慶市毗鄰長(zhǎng)江，在長(zhǎng)江以北的皖河與長(zhǎng)江交匯處。因此，安慶市是非常典型的濱江城市。為了防御長(zhǎng)江和皖河的水患，安慶市建立了完備的堤防工程。

安慶市的堤防工程主要分為三段：第一段，安慶江堤堤防工程；第二段，廣濟(jì)江堤堤防工程；第三段，梅林堤堤防工程。其中，第一段堤防工程全長(zhǎng)18.6km，建設(shè)等級(jí)為1級(jí)堤防級(jí)別；第二段堤防工程全長(zhǎng)24.8km，建設(shè)等級(jí)為2級(jí)堤防工程；第三段堤防工程全長(zhǎng)6.3km，建設(shè)等級(jí)為2級(jí)堤防工程。

從地理位置上來看，安慶市的第一段堤防工程從西向東，起于獅子山、止于幕旗山。第一段堤防工程的主體結(jié)構(gòu)為防洪墻結(jié)構(gòu)，在土質(zhì)堤壩的內(nèi)部嵌入大量的鋼筋，以提升堤壩的強(qiáng)度。安慶市的第二段堤防工程以土質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，堤壩內(nèi)部嵌入鋼筋較少。安慶市的第三段堤防工程也以土質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，堤壩內(nèi)部嵌入鋼筋較少或沒有鋼筋。

1.2 濱江大道堤防工程概況

為了滿足城市發(fā)展的需要，安慶市在原有三段堤防工程的基礎(chǔ)上，又興建了濱江大道堤防工程。這一堤防工程以保護(hù)濱江大道為主要目標(biāo)。因?yàn)闉I江大道沿著長(zhǎng)江修建，并且貫穿了安慶市區(qū)。所以濱江大道的堤防工程，也是沿江而建，橫貫安慶全程。實(shí)際上，濱江大道及其堤防工程是作為整體化系統(tǒng)完成建設(shè)的。因此在建設(shè)過程中，除了最基本的道路施工、管線排布，還配置了污水處理和排水處理。為了更好地實(shí)現(xiàn)堤防工程的防汛任務(wù)、提升濱江大道的安全性，還配置了減壓井。為了便于正常的車輛行駛、鞏固堤壩，濱江大道及堤防工程中還包括了照明配置、綠化配置。

2 濱江城市堤防工程滲流計(jì)算模型

2.1 計(jì)算與仿真流程

濱江城市堤防工程長(zhǎng)時(shí)間受到降水沖擊、基土沉降、自然風(fēng)化等因素的影響，面臨的最大的問題就是工程主體出現(xiàn)滲漏、滲流問題的破壞。

因此，本文結(jié)合MATLAB等工具，針對(duì)安慶市濱江大道堤防工程進(jìn)行滲流問題的仿真分析。滲流問題的仿真過程包括計(jì)算和仿真2個(gè)部分，具體的流程如圖1所示。

圖1中左側(cè)的4個(gè)步驟是根據(jù)堤防工程實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的流程。右側(cè)4個(gè)步驟是仿真環(huán)境下進(jìn)行的處理流程。由此可見，左右兩側(cè)計(jì)算和仿真流程之間互相交流，最終得到滲流問題的分析結(jié)果。

2.2 滲流計(jì)算模型

針對(duì)濱江城市堤防工程可能發(fā)生的滲漏滲流問題，結(jié)合仿真軟件的仿真處理，是一種節(jié)約成本、處理高效的方法。但是，這個(gè)仿真處理的前提必須建立在對(duì)滲流問題的準(zhǔn)確計(jì)算的基礎(chǔ)上，這就需要建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。堤防工程出現(xiàn)滲流的原因是多方面的，也包括非常多的影響因素。為了簡(jiǎn)化滲漏滲流的數(shù)學(xué)處理，需要對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行抽象，進(jìn)而得到可以量化的、數(shù)據(jù)可得的數(shù)學(xué)模型。本文先給出第一計(jì)算模型。

v代表濱江城市堤防工程發(fā)生滲流時(shí)的滲流水水速；K代表濱江城市堤防工程發(fā)生滲流時(shí)基土條件施加影響的影響因子，是一個(gè)無量綱單位；H代表濱江城市堤防工程發(fā)生滲流時(shí)基土條件施加影響所造成的水頭損失；L代表濱江城市堤防工程發(fā)生滲流時(shí)的滲流長(zhǎng)度；J代表江城市堤防工程發(fā)生滲流時(shí)基土條件施加影響所造成的水力梯度。那么就有，v=K·H/L，v=K·J。

滲流問題的第一計(jì)算模型可以進(jìn)一步改寫為第二計(jì)算模型。

v代表濱江城市堤防工程發(fā)生滲流時(shí)的滲流水水速；Q代表濱江城市堤防工程發(fā)生滲流時(shí)滲流水的流量；A代表濱江城市堤防工程發(fā)生滲流時(shí)滲流水水體的截面積；K代表濱江城市堤防工程發(fā)生滲流時(shí)基土條件施加影響的影響因子，是一個(gè)無量綱單位；J代表濱江城市堤防工程發(fā)生滲流時(shí)基土條件施加影響所造成的水力梯度。那么就有，v=Q/A，v=K·J。

3 濱江城市堤防工程滲透特性分析

在前面的研究工作中，對(duì)濱江城市堤防工程進(jìn)行了總體分析。進(jìn)一步，以安慶市為具體研究對(duì)象，對(duì)安慶市防洪工程和濱江大道堤防工程進(jìn)行概述。針對(duì)安慶市濱江大道堤防工程的安全性問題展開滲流特性分析。在這一過程中，建立了滲流模型，將滲流水流速、流量、滲流系數(shù)等參數(shù)統(tǒng)一在一個(gè)模型下。在接下來的工作中，將通過仿真測(cè)試對(duì)濱江大道堤防工程的滲流特性進(jìn)行量化分析。

安慶老干道長(zhǎng)5km，沿江道路寬約25m，已進(jìn)行了黑化改造。新城區(qū)和郊區(qū)的沿江道路主要是利用安廣江堤堤頂?shù)缆?，道路路面?m，并且破損嚴(yán)重。與江堤相交的道路僅有1條連通，其余均為斷頭路，無法發(fā)揮沿江路區(qū)域性主干路的功能，不能滿足當(dāng)前交通需要，嚴(yán)重制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

安慶市的堤防工程包括護(hù)坡處理、填塘蓋重、減壓井等元素，屬于綜合性堤防較完備的工程。其中，以第一段堤防工程安廣江堤為例，其整個(gè)護(hù)坡長(zhǎng)度達(dá)到41km，并配套使用了石塊堆砌和草本種植的綜合防護(hù)方案。第三段堤防工程梅林堤的護(hù)坡長(zhǎng)度較短，只有6.3km，但也綜合了石塊護(hù)坡和草護(hù)坡的形式，護(hù)坡效果更好。在第一段堤防工程中，進(jìn)行填塘蓋重處理的長(zhǎng)度超過35km；在第三段堤防工程中，進(jìn)行填塘蓋重處理的長(zhǎng)度幾乎覆蓋了整個(gè)堤壩長(zhǎng)度。減壓井在第一段堤防工程中廣泛設(shè)置，總數(shù)接近150口，各減壓井之間的間距基本相同。

首先，借助MATLAB和有限元分析軟件，建立濱江大道堤防工程的截面模型，如圖2所示。

圖2中，含有大量的柵格單元，不同柵格分別代表了堤防材質(zhì)的不同（砂土、黏土、中砂）。其中，黏土成分因黏性較大，具有一定的土基質(zhì)吸附力，有助于提升水力工程的整體強(qiáng)度。濱江大道堤防工程中黏土的土基質(zhì)吸附力隨著滲流導(dǎo)致的含水量飽和度變化曲線如圖3所示。

從圖3中的變化曲線可以看出，在滲流不存在或發(fā)生較微弱的情況下，黏土的基質(zhì)吸附力具有較高的數(shù)值。但隨著滲流發(fā)生，黏土的基質(zhì)吸附力出現(xiàn)持續(xù)下降，并且在滲流發(fā)生初期下降速度較快，其后呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。可見，滲流對(duì)濱江大道的堤防工程強(qiáng)度具有較嚴(yán)重的破壞作用。

在滲流模型中滲透系數(shù)是參與運(yùn)算的重要參數(shù)。因此，首先對(duì)濱江大道堤防工程滲透系數(shù)的截面分布進(jìn)行測(cè)算和繪制，結(jié)果如圖4所示。

圖4中存在1條因水平面造成的浸潤(rùn)線，這條線以下的堤防工程都時(shí)刻受到水力作用。這種持續(xù)的作用以及沿截面的分布如圖5所示。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)對(duì)安慶市濱江大道堤防工程的滲流情況進(jìn)行計(jì)算。按照上游邊界取至長(zhǎng)江深泓處、下游邊界取至距堤內(nèi)腳約1000m～1500m處、頂部邊界為自由面的邊界條件；水位條件為上游按長(zhǎng)江設(shè)計(jì)洪水位，下游按各斷面堤內(nèi)地面最低高程的水位條件，施工期水位取設(shè)計(jì)枯水位4.30m。針對(duì)堤防現(xiàn)狀，按道路施工期以及運(yùn)行期2種典型工況條件進(jìn)行滲流計(jì)算和分析。結(jié)果表明，非減壓井段道路改建工程實(shí)施后對(duì)堤防滲透穩(wěn)定性沒有影響。減壓井段3個(gè)斷面計(jì)算結(jié)果顯示，道路改建工程實(shí)施并恢復(fù)重建減壓井后對(duì)堤防滲透穩(wěn)定基本沒有影響，滿足滲透穩(wěn)定要求。

根據(jù)滲流情況，可以進(jìn)一步得到濱江大道堤防工程的安全判定結(jié)果。1）工程施工前的天然狀態(tài)下，堤防的堤坡各工況下的抗滑安全系數(shù)滿足要求；臨江岸坡抗滑滿足要求。2）工程建成后，堤上段的2個(gè)斷面背水坡設(shè)計(jì)水位工況下的抗滑安全系數(shù)分別為1.31和1.46，不能滿足堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求的1.50，其余工況的抗滑安全系均滿足規(guī)范要求。3）為了保證堤防抗滑穩(wěn)定的要求，設(shè)計(jì)單位對(duì)路基采取了水泥攪拌樁加固處理措施，經(jīng)核算，2個(gè)斷面背水坡在設(shè)計(jì)水位工況下的抗滑安全系數(shù)均大于1.5，滿足堤防設(shè)計(jì)規(guī)范要求。4）路基填筑施工期，對(duì)原防洪堤采取臺(tái)階式開挖處理，綜合開挖坡比1∶3.0，計(jì)算成果表明，防洪堤施工期開挖邊坡的抗滑安全系數(shù)均滿足要求。5）工程建成投入運(yùn)行后，臨江岸坡的抗滑安全系數(shù)與工程前相同，說明沿江道路的建設(shè)運(yùn)行對(duì)岸坡的抗滑穩(wěn)定性沒有影響。

4 結(jié)語

本文以安慶市作為濱江城市的代表，分析了其堤防工程的滲流特性并且進(jìn)行測(cè)試，得到以下3個(gè)結(jié)論。第一，濱江城市道路建設(shè)要與城市防洪工程提升相結(jié)合，充分利用現(xiàn)有堤防工程。濱江大道的建設(shè)與堤防升級(jí)加固建設(shè)聯(lián)系密切。為避免重復(fù)建設(shè)，應(yīng)集中資金辦大事，協(xié)調(diào)沿江道路建設(shè)和城市防洪工程建設(shè)同步進(jìn)行。這樣，提高了城市防洪標(biāo)準(zhǔn)，在保證濱江道路城市主干道功能的同時(shí)，可減少建設(shè)用地，為城市發(fā)展空間創(chuàng)造良好的交通條件和景觀條件。第二，當(dāng)規(guī)劃濱江道路時(shí)，要根據(jù)河道走向、堤防形態(tài)采取相應(yīng)的道路形式，例如堤路合一型、堤路分離型等。第三，要與長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境治理工程有機(jī)結(jié)合，在道路建設(shè)的同時(shí)，對(duì)沿江生態(tài)環(huán)境進(jìn)行治理提升，使城市濱江帶成為安全路暢、岸美水清的風(fēng)景線。

參考文獻(xiàn)

[1]王云峰，李楊紅.有限元分析法在羅定市城區(qū)堤防工程非穩(wěn)定滲流計(jì)算中的應(yīng)用[J].廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，31（1）：45-48.

[2]張秀勇，花劍嵐，楊洪祥.基于可靠度的黃河下游堤防工程滲流穩(wěn)定分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，39（5）：536-539.

[3]趙紅紅，邱乾勇，王峰，等.水位升降條件下后張堤堤防非穩(wěn)定滲流分析[J].人民黃河，2024，35（11）：11-13，35.