基于水力学法的爱河治理工程堤防渗流稳定分析

赵俊卿

基于水力学法的爱河治理工程堤防渗流稳定分析

赵俊卿

（辽宁省凤城市水利勘测设计院，辽宁凤城118100）

在中小河流的治理过程中，设计标准普遍偏低，堤防渗流稳定是防洪渡汛的重要保障。运用水力学法对爱河治理工程堤防的单位宽度渗流量、浸润线和逸出点及背水坡渗流出口比降进行计算，结果表明：堤身的渗流比降为0.447，小于允许比降0.50，不会发生流土破坏；堤基的渗流比降为0.162，小于允许比降0.20，不会发生管涌破坏。可为堤防设计的合理性提供量化依据。

堤防，渗流分析，水力学法，爱河治理工程

均质土堤渗流分析的主要目的是计算堤坡和堤基的渗流量、确定堤防浸润线和下游逸出点位置以及堤坡出逸段和下游地基表面的出逸比降。土堤渗流是个复杂的空间问题，1856年，法国工程师提出了著名的达西定律，奠定了渗流理论研究发展的基础[1]。1857年，法国学者杜平在达西定律的基础上，把渗流理论推广到非均匀渐变渗流[2]。1889年，俄国著名学者H.E茹可夫斯基首先推导了渗流微分方程[3]，针对渗流分析的解析解法开始出现。渗流分析方法主要有试验法及理论分析方法，理论分析方法又可以归纳为液体力学法和水力学法。水力学法认为渗透系数K在同一或相近的土料中各向同性,垂直于堤轴线方向的横断面形状和尺寸不变时，除堤坡两端外，堤防内部渗流为层流,符合达西定律，如果断面的形状和地基条件也比较简单，又可作为渐变渗流来处理，任意过水断面的水平流速和比降都是相等的,简化了计算过程，容易求得解析解，满足中小工程设计需求。许多学者对渗流问题进行研究，多采用数值模拟的方法[4-6]。对于中小河流来说，本身的水文地质情况不健全、且工程规模不大，运用以上方法难以得到解析值。本文运用水力学法对爱河治理工程的堤防渗流稳定进行分析，并为其堤防设计的合理性提供量化依据。

1 计算原理[7]

1.1 单位宽度渗流量的计算

透水地基，下游坡无排水设备时，稳定渗流可用下式计算：

式中：q为透水地基的堤身单位宽度渗流量[m3/(s·m）]；qD—不透水地基上求得的相同排水形式的均质土堤单位宽度渗流量[m3/ (s·m）]；k0为堤基渗透系数（m/s）；H1为上游水深(m)；H2为下游水深（m）；h0为下游逸出点高度；m1为上游斜坡坡率；m2为下游斜坡坡率；T为透水地基厚度（m）。

1.2 浸润线和逸出点的计算

计算透水地基上的均质土堤的浸润线时，应根据下游不同的排水形式首先计算特征水深，然后再计算浸润线。

下游无排水设备时，特征水深的计算：

（1）当k＞k0时

(2)当k≤k0时：

求得特征水深后，无论堤身采用何种排水形式，浸润线均可按下式计算：

1.3 背水坡渗流出口比降计算

透水地基均质土堤坡面渗流比降可采用下式计算：

2 爱河治理工程渗流稳定分析

爱河是鸭绿江较大支流之一，也是丹东市境内最大的一条河流。干流全长181.95 km，流域面积5902 km2。爱河治理工程位置以上流域面积为2600 km2。设计洪水标准根据《防洪标准》（GB50201-2014)和丹东市水利勘测设计研究院2004年编制的《爱河流域规划报告》（修改稿）规划标准章节中确定的防洪标准，确定为十年一遇。综合《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》计算结果和上游龙湾水文站设计洪水按面积比法推求的成果，得出十年一遇的洪峰流量Q10%=4244m3/s。设计河道纵比降4.6‰。

工程场地地貌为河床、河漫滩和一级阶地，岸边坡顶及坡脚表面的粉质粘土物理力学性质较差，密实度较低，而河床卵石的强度较高，场地中的粉质粘土渗透变形为流土型，允许水力比降为0.50；卵石的渗透变形为管涌型，允许水力比降为0.20。在粉质粘土与卵石的接触面易产生接触冲刷。

2.1 计算条件

爱河治理工程采用蜂巢格网干砌石护坡、基础，总长65 m，迎水坡坡比1∶2，坡长12.3 m，护坡顶以上采用植物措施防护。堤基为砂卵石，堤防顶宽3 m。背水坡为下游电站的引水渠，无贴坡排水或其他排水设备，水位按不发电时的水深0.5 m计，坡比为1∶2，堤身土为砂砾料。

本文的计算水位为上游堤坡十年一遇洪水时的水位，水深为5.18 m，下游为不发电时引水渠的水深0.5 m。土堤土的渗透系数为0.15 m/d，透水地基的渗透系数为50 m/d。选取0+000断面分别计算（1）设计洪水位稳定渗流情况下背水侧堤坡和堤基的渗流量；（2）确定堤防浸润线和下游逸出点位置；（3）确定堤坡出逸段和下游地基表面的出逸比降。

2.2 计算结果

2.2.1 单宽流量的计算

下游水深按最不利条件计算，即H2=0.5 m，计算求得透水地基下的下游逸出点高度、每日渗出量结果如表1示。

从表中可以看出，透水地基上堤身的单位宽度渗流量为171.81 m3/(d·m），即设计堤段的渗流量为13 m3/s，远远小于设计洪水标准Q10%=4244 m3/s，可知该设计堤防的防渗效果较好，可以满足防洪要求。

2.2.2 浸润线和逸出点的计算

浸润线计算结果如表2所示，0+000断面的渗流图如图1示。

图1 0+000断面渗流图

由图1可知浸润线快速下降，工程防渗效果较好，该设计剖面满足堤防安全要求。根据土堤的浸润线，进一步用瑞典条分法计算土堤的抗滑稳定，计算时不考虑条块间的作用力，各土条的湿容重及饱和容重按照土层变化，计算得到堤防的抗滑稳定安全系数为2.101，大于允许安全系数1.10，可知该堤防在设计洪水位稳定渗流期满足工程需要，可以安全运行。

2.2.3 背水坡渗流出口比降计算

背水坡渗流出口比降的计算结果见表3。

表3 渗流比降成果表

从表3可以看出，堤身的渗流比降为0.447，小于允许比降0.50，不会发生流土破坏；堤基的渗流比降为0.162，小于允许比降0.20，不会发生管涌破坏。因此堤坡、堤基的渗流比降均满足工程要求，坝体和坝基在洪水期稳定渗流的情况下，不会发生渗透破坏。

2.3 计算结果分析

综合分析上述计算结果，得出如下结论：（1）透水地基上堤身的单位宽度渗流量为171.81 m3/(d·m），即设计堤段的渗流量为13 m3/s，远远小于设计洪水标准Q10%=4244 m3/s，堤防的防渗效果较好，可以满足防洪要求；（2）根据土堤的浸润线，可知工程断面满足堤防安全要求，进一步用瑞典条分法计算土堤抗滑稳定安全系数为2.101，大于允许安全系数1.10，堤防在设计洪水位稳定渗流期可以安全运行；（3）堤身和堤基的渗流比降均小于各自的允许渗流比降，不会发生流土和管涌破坏。

3 结语

本文针对爱河治理工程的实际情况，采用水力学法对堤防的防渗稳定进行分析，得出主要结论如下：（1）通过计算设计堤防的单宽渗流量、抗滑稳定系数和渗流比降，可知该堤防在设计洪水位下可以安全运行，满足防洪要求；（2）采用水力学法，合理假设、简化计算条件可以较容易的得到解析解，方便中小工程的设计；（3）文中的计算方法没有考虑孔隙水压力作用，在进行实际工程控制设计时，应设置一定安全余度。

[1]郭维东,裴国霞,韩会玲.水力学,中国水利水电出版社.2005年9月第1次印刷.

[2]孙纳正.地下水流的数学模型和数值方法[M].北京:地址出版社, 1981.

[3]毛昶熙.关于大坝渗流安全[J].大坝安全与监测.1992(3):3-5.

[4]邓苑苑.病险土石坝渗流破坏机理分析[D].石河子:石河子大学, 2006.

[5]徐蕴.基于Auto Bank的还乡河治理工程堤防渗流稳定分析[J].水科学与工程技术.2011(6):89-90.

[6]刘晓庆,施浩然.基于非饱和渗流理论的土石坝渗流分析[J].西华大学学报.2013,32(5):87-91,103.

[7]GB 50286-2013,堤防工程设计规范[Z].北京:中国计划出版社, 2013.

表1 单位宽度渗流计算成果表

表2 土堤浸润线坐标表

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1673-9000（2017）02-0134-02

2016-12-27

赵俊卿（1985-），女，河北石家庄人，工程师，主要从事水利工程设计等。