钱塘江斜坡式海塘遭遇超强台风渗流特性研究

严 斌，吴兴龙，李树巍

(浙江省钱塘江管理局，浙江 杭州 310016)

1 问题的提出

钱塘江河口地处我国东南沿海，由于特殊的地理位置和气候条件，每年夏秋季节经常会遭受台风侵袭。钱塘江杭州湾在最近十几年内修筑了标准海塘，可以抵御设计标准内的风暴潮，但由于钱塘江河口潮差大，在遭遇超强台风期间，若天文大潮与台风增水叠加形成的特高的超标准风暴潮，就有可能超过一线海塘高程，出现潮水满溢，发生潮灾，成为当地的主要自然灾害之一。2007年底，在浙江省人民政府部署下，浙江省水利厅和省防汛办确定开展《钱塘江北岸海塘应对超标准风暴潮研究》项目，进行北岸海塘应对超标准风暴潮工程措施研究。

本文以北岸海塘为例，选取“9711”北线的风暴潮极限状况进行海塘渗流特性分析。“9711”北线风暴潮水位过程线的确定以富春江“9711”台风期间的过程流量作为台风期不利流量，水位条件边界条件设计方案采用2002年最大天文大潮水位过程线 (相当于年最高天文潮多年平均值，杭州湾内各站天文潮分别为芦潮港2.79m，乍浦3.94m，澉浦4.80m，镇海2.27m)叠加台风增水。工程区域“9711”水位过程线与一般水位 (2%水位)过程线相比，由于考虑增水等因素，相同时刻的水位比一般水位偏高，其涨落潮历时相同 (见图1)。

由于风暴潮潮水位随时间变化，海塘堤坝内将形成非稳定渗流。在非稳定渗流中，渗流自由面随时间的变化而变化，渗流场的形状和边界条件也较复杂。利用有限元法求解饱和—非饱和渗流问题，国内外已有不少研究成果。如美国的Neuman提出的有限单元法求解土坝饱和—非饱和渗流场的数值方法［1］，以及日本赤井浩一用相同理论进行了数值计算和模型验证［2］，在国外研究的带动下，国内也出现了一些学者，如吴良骥也对渗流问题开展深入研究，且获得了很多有价值的成果［3］。而国内对于钱塘江两岸的海塘在超标准风暴潮下水位骤升骤降工况下渗流形态的研究较少，为此作者选取典型斜坡式海塘断面，建立二维渗流有限元数值模型，对该断面在“9711”超强台风风暴潮过程进行渗流场模拟分析，为以后对钱塘江南、北岸两岸各种断面型式的海塘在遭遇其他强台风等恶劣工况下的渗流形态研究具有一定的意义。

图1 “9711”水位过程线与一般水位过程线图

2 有限元模型

2.1 模型的建立

作者应用GeoStudio有限元计算软件中SEEP模块对超强台风和一般潮位作用下的非稳定渗流过程进行模拟分析。

钱塘江北岸某段均质斜坡海塘塘顶高程8.80m(1985国家高程基准，下同)，顶宽7m。本模型模拟“9711”超强台风下一个涨落潮历时海塘土体内浸润线的变化，根据图1的潮位过程线，初始涨潮水位为0.20m，最高潮位为7.87m，最低潮位为-1.25m，后坡常水位考虑台风期降雨影响，取地面高程以下0.50m。因海塘断面结构材料较多，为减少模型参数输入数据，也为了减少网格剖分的难度，对于迎水面透水性较大护面结构按照全透水考虑，背水坡的一级斜坡段以及平台上细部结构不再细分，统一并入塘身填土。本渗流计算模块有CAD导入建模功能，但对CAD内图形要求较高，由于海塘结构较复杂，里面线型较多，部分区域网格需手动划分。整体模型中，海塘计算断面被划分成3个主要不同的区域:①塘身吹填土，渗透系数取4.9×10-3cm/s;②塘身充泥管带，渗透系数取4.0×10-3cm/s;③迎水坡抛石渗透系数取7.0×10-2cm/s。地基土层主要分为3个地质亚层:③-1层为淤泥质黏土，灰色，流塑，饱和，高压缩性，全场分布，层厚0.9～15.7m;③-1层为粉质黏土夹粉土，灰色，流塑，饱和，局部为淤泥质粉质黏土，层厚1.5～8.1m;③-5层为淤泥质黏土，灰色，流塑，饱和，低压缩性，层厚7.5m。渗流有限元模型见图3。

图2 均质斜坡海塘结构图 (为1985国家高程基准) 单位:m

图3 海塘有限元模型图

2.2 计算结果及分析

非稳定渗流计算假设在水位上升前已经形成稳定的渗流场，按照“9711”超强台风潮型一个骤升和骤降情况考虑。根据潮位过程线，水位上升速度约为1.54m/h，水位下降速度约为1.13m/h。初始外江水位为-1.20m，海塘自由面和等势线见图4。根据图5，1～4号曲线为外江水位上升之后的浸润线，其不同时刻坝体的瞬态浸润线位置，代表水位分别为1.61，4.46，7.07，7.87m。5、6、7号曲线表示外江水位开始下降后4个不同时刻坝体的瞬态浸润线位置，代表水位分别为5.89，2.98，0.75m。

图4 初始自由面和等势线图 单位:kPa

根据图5，1～4号曲线为涨潮过程，由于潮水达到最高潮位时间较短，曲线靠近外江侧，外凹明显，且线型较陡，靠临水坡面处浸润线急剧抬高，而距临水坡较远处渗流场无明显变化，尤其是海塘中、后部，浸润线有轻微抬高，后坡土体内的浸润线基本上为一坡度较缓的斜线。图5中，5、6、7号曲线表示外江水位开始下降时的浸润线，临水面一侧，水位下降之后，曲线起点位置，下探明显，呈一向下的抛物线型，坡度变缓，临水坡较远处的渗流场由于受略低潮位的稳定影响，塘身中间土体达到饱和，外部水体慢慢渗入海塘后坡，内部浸润线会稍稍向上拱起。海塘后坡位置浸润线下降有一定的滞后，线形基本保持直线不变。图6和图7分别为2%高潮位下非稳定渗流和稳定渗流计算结果，后者浸润线曲线较饱满，后坡二级平台位置以下浸润线线上各点高程相较于不稳定渗流偏高，这是由于高水位的持续作用下，潮水已经渗入后坡大部分土体，呈抛物线型布置。2%潮位下各时刻非稳定渗流浸润线变化规律与超强台风条件下基本相同，海塘迎水侧及附近塘身土体内浸润线后者偏高，特别是越靠近外海侧，高差越明显。图7为2种不同高潮位工况下相同的涨落潮时刻的后坡浸润线图，起点为一级护坡坡脚处，浸润线转折点为冲泥管带和吹填土交界处，冲泥管带内各时刻浸润线基本重合。起点处2种工况下同一时刻浸润线高差为0.2～0.5m，海塘后坡部分浸润线随潮水变化并无太大改变，说明超强台风情况下对后坡渗流影响较小。

图8为一稳定渗流场，基本上为一条折线。在初始水位作用下，外江潮水渗入塘身土体距离较远，而且浸润线下降坡度很缓，说明在持续水位的影响下，塘身水位以下的土体饱和度较高。

图5 各时刻海塘瞬态浸润线位置图(“9711”工况)

图6 各时刻海塘瞬态浸润线位置图 (2%水位工况)

图7 各特征时刻后坡瞬态浸润线图(“9711”与2%水位工况) 单位:m

图8 2%设计高潮位稳定渗流压力水头线图单位:kPa

综上所述，在潮水位陡升降的情况下，以0.5个潮流历时为例，当涨潮时，即由平均潮位上升到最高潮位，一般高潮位下浸润线为半抛物线型，达到较高潮位下为“C”型曲线。在落潮流工况下，迎水坡浸润线下探明显，大部分为向下开口的半抛物线型。而相对于迎水坡，背水坡土体内的浸润线并没有前者反映那么强烈，变化幅度不大。

所以，在对杭州湾潮水位升降情况下斜坡海塘内渗流场分布的情况进行分析时，若采用稳定渗流分析，海塘内部浸润线较高，海塘大部分填土土体饱和，土体整体物理力学性质降低，特别是水位突然降低到低水位，迎水坡很容易引起滑塌，对海塘迎水坡整体稳定不利。而非稳定渗流条件下，浸润线以堤轴线为分界线，由于其高潮位持续时间较短，迎水坡土体内未全部达到饱和，塘身及其后坡土体均基本未遭潮水侵入，水位骤降时迎水坡整体稳定系数较前者高。不同工况下后坡土体内非稳定渗流浸润线基本相同，受涨落潮历时影响较小。结合钱塘江两岸海塘主要受潮水影响较大，高潮水位持续作用时间较短，应采用非稳定渗流有限元方法分析海塘渗流情况，可使工程设计方案更加符合设计工况。以上述工程为例，在不降低海塘整体稳定安全系数的情况下，可以降低塘身迎水坡一、二级平台的高度和长度，最外侧的抛石潜坝也可以缩小结构断面。

3 结语

本文借助于非稳定渗流有限元计算分析，对在超标准风暴潮工况下水位升降时的均质斜坡海塘瞬态渗流场的模拟进行了研究。其结论如下:

(1)海塘在超强台风和一般高潮位非稳定渗流作用下，后坡的浸润线较低，其浸润线受涨落潮历时变化较小，2种工况下浸润线基本一致。稳定渗流作用下，塘身土体大部分饱和，浸润线较高，计算结果偏于保守。所以进行海塘设计时，可综合考虑上述因素，进一步优化塘身结构，控制工程造价。

(2)在一个涨落潮情况下，海塘迎水坡及其附近塘身土体内浸润线变化大，特别是迎水坡变化剧烈，不同高潮位2种工况下同一时刻的浸润线高差相差较大，而背水坡浸润线基本维持在后坡常水位位置。

(3)超强台风工况下，由于高水位持续时间短，其背水坡浸润线与一般高潮位工况相比变化不大，对背水坡的整体稳定影响很小。而对迎水坡，不同高潮位工况下，其骤降浸润线不同，需分别计算对堤坡稳定的影响。

［1］龚道勇.三维非稳定饱和—非饱和渗流场的有限元分析和应用［D］.南京:河海大学，2002:1-3.

［2］朱岳明，龚道勇.三维饱和—非饱和渗流场求解及其逸出面边界条件处理［J］.水科学进展，2003，14(1):67-68.

［3］吴良骥，G.L.Bloomaburg.饱和—非饱和区中的渗流问题的数值模型［J］.水利水运科学研究，1985，2(1):1-10.