渗流稳定分析在黄河下游堤防质量评价中的应用

赵正伟，张礼，孙梦梦（黄河勘测规划设计有限公司，郑州，450003）

渗流稳定分析在黄河下游堤防质量评价中的应用

赵正伟，张礼，孙梦梦
（黄河勘测规划设计有限公司，郑州，450003）

黄河下游堤防的质量严重制约了防洪效益的发挥，论文采用有限单元分析法求解拉普拉斯方程，对黄河下游进行渗流稳定计算，并结合黄河下游堤防历史资料，推求出历史出险时的堤防渗透破坏比降，对黄河下游14个典型断面进行了渗流稳定分析，计算结果显示仅有1个断面是安全的，建议尽快完成黄河下游堤防加固工程。

黄河下游；堤防质量；渗流稳定计算

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.135

1 研究背景

黄河下游临黄大堤总长1371km，是在民埝的基础上由历代劳动人民不断修培而成，受当时社会、经济、技术等条件限制及频繁决口的影响，堤身、堤基存在较多质量问题。为保障黄河下游防洪安全，2000年以来，黄河水利委员会开展了黄河下游标准化堤防建设，目前，尚有部分堤防尚未加固或加固标准较低。在实施堤防加固前，对未加固堤段堤防质量进行评价，对确定堤防加固规模十分必要。渗透破坏在堤防工程中非常普遍，据1996年8月黄河防洪抢险统计资料显示，当年黄河下游大堤偎水长度952km，平均水深2～4m，除漫溢、顶冲险情外，大堤溃口性险情大多是渗透破坏所致。

目前，黄河下游堤防采用的质量评价方法主要有以下5种：地质勘探法、物探法、注水实验法、历史调查法和渗流稳定计算法。其中，渗流稳定分析是较常采用的堤防质量评价法。黄河下游大堤溃口性险情大多是渗透破坏所致，并且防洪抢险及除险加固的实践也表明，渗透破坏是堤防工程中最为普遍的破坏[1]。渗流稳定计算方法可对各段堤防质量进行定量评价，因此，本文采用渗流稳定计算的方法对堤防质量进行评价。

2 堤防渗流稳定计算方法

考虑黄河下游堤防的实际情况，可根据各堤段不同的地质条件，按照地基地层结构分段和分类，适当考虑断面的均匀分布选取计算断面，采用平面有限单元分析方法，根据流体力学原理，对符合达西定律的二向渗流，在土体与液体压缩性可以忽略的条件下，建立水头函数模型[2]，水头函数满足拉普拉斯方程：

式中，h为水头函数；x、z分别为沿堤防断面横向和垂直方向的距离；Kx、Kz分别为沿堤防断面横向和垂直方向的渗透系数。

对渗透性有影响的因素很多，如土体的结构、颗粒形状和大小、孔隙率、水的饱和度及水温等，为便于进行堤防工程实际问题的研究，在计算时需要从影响渗透性的因素和水力学计算条件两方面进行如下假定和简化：（1）渗流服从达西定律；（2）不考虑土体和水的压缩性，渗透时土体的孔隙大小和孔隙率不变；（3）土体内水的饱和度不变；（4）堤防各土层概化为均质土。

根据各堤段不同的地质条件，按照地基地层结构分段和分类，适当考虑断面的均匀分布，采用平面有限单元分析方法。根据堤防断面以及地质勘探推荐的各土层渗透系数，利用有限单元分析法求解拉普拉斯方程来判断堤防是否发生渗透破坏，再通过地质勘探、物探、注水试验等地质方法对堤防质量评价的结果进行验证，最终确定不安全堤段的堤防质量[3]，典型计算断面如图1所示。

图1 黄河下游堤防渗流稳定计算典型断面图

3 黄河下游堤防质量评价

针对未安排加固堤防段落，在不同堤段选取14个断面进行渗流稳定计算，断面选取时应尽可能涵盖不同的地质情况，使其具有一定的代表性。渗流稳定计算成果如表1所示。计算成果表明，设计洪水条件下，所选取的14个计算断面中，有1个断面在现状情况下出逸比降大于允许渗透比降，表现为安全，其余断面均为破坏。

表1 黄河下游堤防渗流稳定计算成果表

渗流计算虽然是按照均质土堤进行的，但是由于进行允许渗透比降选取时，需结合堤身存在裂缝、孔洞、口门，以及松散体等多种情况，将其数值予以适当降低；同时利用历史出险渗透比降计算成果进行验证，综合选取[4]。因此，可以认为计算成果接近堤防实际情况。从计算成果看，14个代表性断面仅有1个断面是安全的，说明采取淤背措施对堤防实施加固是非常必要的。

黄河大堤堤身土料为砂壤土、壤土、黏土及粉细砂混掺组成，土质不均匀。根据历史险情、隐患探测的成果和钻孔中漏水漏浆情况，加上室内土工试验测定的堤身土的黏粒含量、干密度和渗透系数等指标，均充分说明多数堤身填筑质量不好，存在裂隙、孔洞等现象，并且地基条件复杂，加上遗存的历史口门，均对堤防安全构成威胁。因此，黄河一旦遭遇大洪水，出险位置的随机性很大，并且一旦出险不易抢堵。为保障黄淮海平原地区的防洪安全，尽快完成黄河下游堤防加固建设任务是非常必要的。

4 结论

本文采用有限单元分析法求解拉普拉斯方程，对黄河下游进行渗流稳定分析。结合黄河下游堤防历史出险资料，推求出当年出险时的渗透破坏比降，将出险时的渗透破坏比降作为该段堤防的允许出逸比降来判断堤防是否发生渗透破坏。并对黄河下游14个典型断面进行了渗流稳定计算，结果表示其中仅有1个断面是安全。建议黄河下游尽快完成堤防加固，可采用放淤固堤、放淤固堤结合临河修筑新堤与截渗墙加固等方法，使堤防尽早发挥整体防洪效益。

【1】潘明强,刘生云,杨永叶，等.黄河下游堤防渗流稳定分析[J].人民黄河,2010,32(5):17-18.

【2】张秀勇,花剑岚,杨洪祥.基于可靠度的黄河下游堤防工程渗流稳定分析[J].河海大学学报(自然科学版),2011,39(5):536-539.

【3】赵寿刚,常向前,潘恕.黄河标准化堤防渗流稳定可靠性分析[J].岩土工程学报,2007,29(5):684-689.

【4】赵寿刚,杨小平,潘恕，等.基于渗流稳定可靠性分析的黄河堤防合理淤背宽度研究[J].中国西部科技,2005(5):25-26.

Application of Seepage Stability Analysis in the Lower Reaches of the Yellow River Levee Quality Evaluation

ZHAO Zheng-wei,ZHANG Li,SUN Meng-meng
(Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.,Zhengzhou450003,China)

The lower reaches of the Yellow River embankment quality had important influence in flood control. The seepage stabilitycalculation was finished by using finite element analysis method in solving Laplace equation. Combined with the lower reaches dyke historicaldata of the Yellow River, the slope gradient ratio of historydyke seepage failure occurring was calculated.The 14 seepage stability analysis typicaldyke cross section in the lower reaches of the Yellow River were finished, results show that only one section was safe. So the lower reaches of theYellow Riverdyke reinforcement engineering was necessary.

lower yellow river;dyke quality;seepage stability calculation

TV871.2

B

1007-9467（2016）12-0082-02

2016-10-31

赵正伟（1984～），男，河南信阳人，工程师，从事水利工程规划设计研究。