基于有限元模拟的溃修段堤防局部沉陷成因分析

张 鹏，王 建，彭泽豹

(河海大学 水利水电学院，南京 210098)

0 引 言

在我国，堤防工程已成为重要的防洪工程，但由于自身的复杂性以及施工技术的限制，堤防工程在运行过程中容易产生渗水、管涌、散浸等险情，尤其对于某些填筑质量较差的堤防，堤防边坡容易产生局部沉陷问题。因此需及时判别险情成因，采取相应加固措施，避免险情进一步扩大[1]。目前，对于堤防险情分析主要有两种方式，其一是根据现场情况、总结历年险情并依据经验进行判别分析[2]，其二是通过有限元计算进行分析[3]。但对于分析土工膜缺陷引起的局部沉陷险情，上述两种方法均有一定的局限。

土工膜作为防渗效果较好、成本较低的防渗材料，其应用越来越广泛。但土工膜在生产及现场施工过程中易发生破损，故在高水位长期作用下，土工膜破损部位易发生渗透变形，进而引发局部沉陷、管涌等险情，并且随着土工膜应用地越来越广泛，由土工膜缺陷引发的险情也必将增多，但目前对于该类险情的成因分析缺乏有效的方法及手段。

本文在此基础上，以某溃修段堤防为例，针对其运行过程中出现的迎水坡局部沉陷问题，综合利用有限元模拟分析、地质勘探、沉降及水位监测、雷达隐患探测方法，对沉陷险情做出综合分析，并提出合理加固措施。

1 堤防及沉陷基本情况

本文研究的堤防位于黑龙江干流，全长约750 m(桩号0+0～0+750)，其中450 m为溃口重修段(桩号0+150～0+600)，溃口最大深度达15.8 m，堤防抢险施工断面图见图1。

图1 溃修段堤防断面图(单位：cm)Fig.1 Section of the repaired embankment

由图1可以看出，溃口中心段采用风化料进行填筑，两侧用砂性土填塘固基，最上层为砂性土加高层；迎水坡坡脚设置了水泥土多头搅拌桩防渗墙，深度约16 m；从防渗墙至迎水坡坡顶布置防渗土工膜，与防渗墙组成完整防渗体系。根据现场监测，在堤防段桩号0+490附近，汛期水位降落后，发现该处出现明显塌陷，涉及范围自坡脚至距堤顶1/3高度，中心部位沉陷达40 cm。

为探明堤防地质情况，分别在堤顶两侧及背水坡坡脚钻孔取样分析。根据地质勘探结果，该堤段所处地层为第四系松散堆积层，堤防土体主要由级配不良细砂、级配良好粗砂构成，属于中等透水-强透水物质，勘察期间可见堤身内存在大量碎石、卵石、砾石等，堤防渗透系数较大，抗渗稳定性较差，高水位作用下容易发生渗透变形。但堤防边坡较缓(坡度1∶4)，且土体内摩擦角较大，故抗滑稳定性较好，不易发生滑动失稳。

堤防监测过程中，在堤防背水坡坡顶及背水坡坡脚分别布置21个水准观测点，堤顶测点编号为DS1-DS21，堤脚测点编号为DX1-DX21，堤脚与堤顶的测点编号分别对应。沉陷部位位于测点DS17-DS18之间，堤顶测点沉降变化曲线见图2。从中可以看出，正常情况下各测点沉降值均匀增加，连续变化，且沉降速率逐渐减小，趋于稳定，最大沉降值不超过12 mm；但沉陷处附近测点DS17与DS18的沉降值相比其他测点较大，最大沉降值达18 mm。

图2 堤顶测点沉降变化曲线Fig.2 The settlements changing curves of measuring points on the top of embankment

2 土工膜缺陷模拟及沉陷机理分析

实际中，导致堤防发生局部沉陷的原因很多，针对本文研究的堤防，推测局部沉陷的发生与土工膜破损有关。本节利用有限元模拟土工膜缺陷，计算高水位下堤防渗流场及土工膜破损处渗透坡降值，进而判断推测的合理性，并分析确定堤防局部沉陷机理。

2.1 缺陷模拟形式

对于土工膜缺陷的模拟，目前主要按形状分为形状不规则的孔(洞)状缺陷和长条形的缝状缺陷两种类型。其中孔状缺陷一般可用面积等效的正方形缺陷来代替模拟，长度大多在厘米级。对于土工膜缺陷处渗流的模拟，主要有两种模拟方法，一种是剔除土工膜缺陷处单元的方法，即将缺陷处作为边界条件直接施加相应的作用水头；另一种是放大缺陷处单元渗透系数的方法[4]。

考虑本研究堤防的实际情况及研究方便，采用面积等效正方形的方式来模拟土工膜缺陷，等效面积为10 cm×10 cm。对于土工膜缺陷渗漏模拟分别采用剔除缺陷处土工膜单元和放大渗透系数为1 m/s的方式。

2.2 有限元模型建立

计算模型的边界条件如下：不透水边界包括底部截取边界、堤防段两侧截取边界；已知水头边界包括上下游侧截取边界、堤防迎水坡；溢出边界为上游水位以上堤防上游坡面，下游水位以上坡面。根据实际情况，大约判断出土工膜缺陷部位与堤脚的距离约为0.5 m，网格剖分时，加密土工膜缺陷处网格，计算单元类型采用C3D8P，最终生成有限元模型的网格总数为190 892，节点总数为203 229，具体模型如图3所示。

图3 有限元计算模型Fig.3 Finite element calculation model

2.3 计算参数及计算方案

计算模型中涉及堤防与地基的计算参数如表1，其中0.3 mm土工膜等效为厚度为30 cm的材料，相应渗透系数放大1 000 倍[4]。

计算方案见表2，其中土工膜缺陷单元等效面积为10 cm×10 cm，与坡脚距离为0.5 m。上下游水位采用监测期内最高水位值，即上游水位为99.5 m，下游水位为96.6 m，最高水位高出迎水坡坡脚约1 m。

表1 模型各分区渗透系数Tab.1 The permeability coefficient of each partition of the model

表2 计算方案表Tab.2 Calculation schemes

2.4 结果分析

对于土工膜缺陷分别采用了剔除缺陷单元及增大缺陷单元渗透系数的方法进行计算分析，结果显示两种方法计算出的浸润线、渗流场基本一致，但增大缺陷单元渗透系数法计算更为方便，限于篇幅，以下仅给出增大缺陷单元渗透系数法的计算结果。

(1)浸润线分析。根据计算结果可知：土工膜缺陷计算出的堤防浸润线与土工膜完整计算出的浸润线总体上接近，但在缺陷部位浸润线抬高，其影响半径约为3 m，其中土工膜完整方案的孔隙水压力图如图4所示，两种方案下的缺陷部位孔隙水压力图如图5所示。

图4 土工膜完整横剖面孔隙水压力图(单位：kPa)Fig.4 Distribution of pore pressure when the geomembrane is complete

图5 两种方案土工膜缺陷部位孔隙水压力图(单位：kPa)Fig.5 Pore pressure distribution of two plans in local defect area

(2)渗流场位势分布。根据计算结果可知：土工膜完整时，渗流水头损失由防渗土工膜承担；土工膜出现缺陷时，缺陷部位渗流水头损失由膜下土体承担，故当土工膜出现破损时，极易产生渗透变形。两种方案计算出的堤防整体等势线基本一致，仅在缺陷部位差别较大，两种方案土工膜缺陷部位等势线图如6所示。

图6 两种方案土工膜缺陷部位等势线图Fig.6 Equipotential line distribution of two schemes in local defect area

(3)渗透坡降分析。两种方案计算出的堤防最大渗透坡降值如表3所示。从中可以看出，土工膜完整时，计算出的土体最大渗透坡降值为0.019，远小于堤防土体的允许渗透坡降值，故发生渗透变形的几率很小；土工膜局部缺陷时，计算出的缺陷部位渗透坡降值为8.62，远大于允许渗透坡降值，故缺陷部位土体极易发生渗透变形。

表3 两种计算方案的堤防最大渗透坡降值Tab.3 The maximum infiltration slope valueof two calculation schemes

根据有限元计算结果，土工膜破损处渗透坡降值较大，最大值达8.62，远超土体允许渗透坡降值，因而土体极易发生渗透破坏。同时堤防抢险时采用风化料填筑，堤身碎石、砾石较多，骨架作用明显，且堤防土体总体级配不良，故结合堤防地质特点，可以分析出堤防局部沉陷发生的机理：当水位超过土工膜破损部位时，在高水位作用下，堤防土体会沿土体粗颗粒骨架流失，形成空洞、渗漏通道等，进而导致堤防产生沉陷。

3 沉陷成因验证及加固措施

上述分析表明土工膜破损会导致堤防发生渗透变形，进而引发局部沉陷，但实际中，导致沉陷发生的原因有很多，需要结合实际情况具体分析。下面将结合雷达隐患探测结果、水位及沉降监测资料分析验证上述成因推测，并提出合理加固措施。

3.1 探地雷达现场探测分析

为了解溃修段堤防的填筑情况及可能存在的隐患情况，采用SIR-20型探地雷达进行无损探测。探地雷达是由地面的发射天线将电磁波送入地下，经地下目标体反射被地面接收天线接收，通过分析接收到的电磁波的时频、振幅特性，可以评价地质体的形态和性质。探地雷达具有高效、快速、分辨率高的特点，能够适应堤防轴线较长、土体介质较复杂的情况[5,6]。

根据现场情况，在堤防迎水坡坡脚、坡面及坡顶共布置三条纵向测线，测线长度覆盖整个溃修段堤防，布置完测线后，完成雷达参数设置，并沿布置的测线进行现场探测与数据处理。其中迎水坡坡脚局部雷达图像如图7所示。

图7 迎水坡坡脚局部雷达图像Fig.7 Local radar image of riverside slope foot

图像中横坐标表示雷达测线方向，纵坐标表示探测深度方向，图中线框部分大约为迎水坡沉陷部位。从雷达图像可以看出浅层部位图像同相轴均匀连续，略有起伏而无大的波动，而堤防表层为混凝土板护面及垫层，无较大破坏，验证了图像的合理性。再往下可以看出图像出现同相轴错乱、衰减、杂乱无序等形态，尤其是在剖面水平距离190～210 m之间，垂直深度1～3 m的范围内，同相轴出现断裂与局部不连续的情况，接收到的反射波强度与同深度相比有所增大，可以判断出此处土体填筑疏松，存在较大孔洞，甚至存在渗漏通道，而该处即为堤防沉陷部位。

从地质雷达探测结果可以看出，沉陷部位土体存在较大孔洞、且土体填筑疏松，在水力坡降较大情况下容易发生土体流失，因而可以推断堤防局部沉陷与渗透变形有关。

3.2 监测资料分析

根据现场情况，选择了4个典型断面，每个断面布置3根测压管，分别位于堤顶两侧及背水坡坡脚，用于监测堤身浸润线的变化过程，监测周期约6个月，包括了水位从枯水期—汛期—枯水期的完整变化过程。其中沉陷部位位于3号断面(桩号0+498)附近，断面3的水位历时曲线见图8，沉陷部位测点沉降及水位随时间的变化关系见图9。

图8 断面3水位历时曲线Fig.8 Water level duration curve of section 3

图9 沉陷处背水坡堤顶沉降随时间变化曲线Fig.9 The curves of settlements varing with time on the top of downstream slope near the subsidence area

从图8可以看出，3根测压管之间的水位差较小，说明堤防填料水平渗透性强；同时江水位变化时，测压管水位变幅较小，也说明堤防防渗系统总体工作正常。

由图9可以看出，年内高水位出现在7月中旬，最高水位大约在堤脚以上1.0 m左右，而这一时期沉陷位置附近的测点沉降值恰好出现异常。同时高水位出现之前与之后堤顶测点沉降均较平缓，但在高水位浸泡下，堤顶沉降快速，这与堤身湿陷或渗透变形有关，由于沉降的局部性，而不是整体均匀下沉，故渗透变形的可能性更大。但堤防防渗设施工作情况总体正常，所以渗透变形的发生应与土工膜局部破损有关，即在高水位下，土工膜破损处水力坡降较大，进而引发渗透变形。

综合地质勘探、监测资料及地质雷达探测结果可以验证：沉陷的发生应与土工膜局部破损有关。即在高水位下，土工膜破损处渗透坡降较大，且该处土体填筑疏松，存在较大孔洞，同时堤防土体以级配不良的砂土为主，故土体细颗粒易随孔洞、裂隙流失，进而导致沉陷的发生。

3.3 加固措施

根据有限元分析结果可知，土工膜破损对堤防整体影响较小，仅对破损部位影响较大，在高水位长期作用下，易引发沉陷、滑坡等险情，但若不及时处理，险情将进一步扩大，甚至会影响堤防的安全运行。

对于土工膜破损引起的局部沉陷问题，可分为以下两种情况进行加固处理。对于水位降低后沉陷部位位于水面以上的，将破坏处挖开，然后分层填土夯实，直至恢复原状，并找到土工膜破损处，将其修复，从源头解决沉陷问题；当沉陷部位位于水面以下的，先抛填麻袋、编织袋等将其填满，再抛填黏土封堵，阻隔渗水通道[7,8]。沉陷部位加固完成后，应使用地质雷达进行探测分析，确保加固后的堤防填筑良好；并继续进行水位及沉降监测，保证堤防的安全运行。

4 结 语

通过有限元模拟土工膜缺陷，分析表明在汛期高水位下，土工膜缺陷对堤防整体影响较小，对缺陷部位影响较大，缺陷部位渗透坡降最大值为8.62，远大于允许值，易发生渗透变形破坏，进而引发局部沉陷；同时通过地质勘探、水位及沉降资料分析、雷达隐患探测验证了上述观点，最终确定堤防局部沉陷是土工膜局部破损，土体在高水位下沿孔洞、渗漏通道流失引起的渗透变形造成的，为堤防除险加固提供依据。

综合上述研究可知，利用有限元模拟、地质勘探、水位及沉降监测、雷达隐患探测的险情综合分析方法可以有效判别由土工膜破损引起的局部沉陷问题，从而及时采取措施，避免险情进一步扩大，具有一定的工程实用价值。

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