堤防工程渗流模拟分析

张晓红，李 洋，陈 末，*，李 爽，李治军

(1.黑龙江大学 a.水利电力学院;b.寒区地下水研究所，哈尔滨 150080；2.黑龙江省三江工程建设管理局，哈尔滨 150081)

堤防工程渗流模拟分析

张晓红1a，1b，李 洋1a，1b，陈 末1a，1b，*，李 爽1a，2，李治军1a，1b

(1.黑龙江大学 a.水利电力学院;b.寒区地下水研究所，哈尔滨 150080；2.黑龙江省三江工程建设管理局，哈尔滨 150081)

构建了渗流模型、建立了渗流模拟方案。为分析不同水位条件下的渗流及破坏情况，根据资料分析和野外调查结果，采用包括50年一遇设计洪水位，大洪水年洪水位以及200年一遇超大洪水位进行模拟分析。主要对混合堤加以分析，得出堤防的流动路径图、渗流速率云图和坡降云图，并对渗流结果进行分析。在3种不同水位方案下堤防渗流场、流速的影响分析结果，以及坡降数值结果与破坏可能性分析结果表明，在50年一遇设计洪水位、大洪水年最高洪水位条件下堤防不易产生渗透破坏，堤防抗渗稳定性均能满足要求。在200年一遇超大洪水位条件下堤防易产生渗透破坏，需要采取工程防渗措施。

堤防;模型;模拟;混合堤;渗流

堤防工程是防洪工程体系的基础，是防洪的重要屏障。在堤防加固工程中，掌握堤身工况及地基渗流特点，采用合理渗流控制措施是确保堤防安全度汛的重要前提。筑成混合堤的材料具有多样性，因此混合堤的不同位置渗流特性具有差异性。为了堤防安全考虑，需对其进行渗流模拟分析。随着数值模拟技术的发展，加拿大岩土公司GEO-SLOPE开发的GeoStudio2007软件，具有渗流稳定分析模块SEEP/W。SEEP/W模块具有良好的前后处理功能，其功能具有综合性，既可分析极为复杂的渗透性问题，又具有较高的精度和较好的实用性，可满足实际工程的技术和精度要求。本文利用GeoStudio2007软件构建渗流模型并对典型断面进行渗流模拟分析。

1 概念模型的构建

某堤防工程包括3段，总长101.973 km。其中下段堤防由两部分组成，堤防总长58.794 km。部分堤段两侧进行加培处理，堤顶宽3.0m，迎水坡坡比1∶4.0，原路面以上背水坡坡比1∶2.0，原路面以下背水坡坡比1∶4.0。溃口复建堤段采用水中填土至地面高程，两侧采用抛石防护，地面以上部分堤顶宽8.0 m，迎水坡坡比1∶4.0，背水坡坡比1∶4.0，迎水坡堤脚采用多头小直径搅拌桩防渗墙[1-3]。其它堤段堤顶宽8.0 m，土堤迎水坡坡比1∶3.0，背水坡坡比1∶4.0;砂堤和混合堤迎水坡现状坡比不陡于1∶3.5的维持现状，陡于1∶3.5的削破至1∶4.0，背水坡坡比1∶4.0，堤高超过6 m时，在下游坡距堤顶3 m处设置2.0 m宽戗台[4]。堤防横断面示意图见图1。

堤防横断面为梯形，堤身上层材料为砂性土，下层材料为低液限黏土。堤基上层材料为低液限黏土，下层材料为级配不良中砂。

假定同一区域内土体的渗透性均一，为各向同性介质[5-9]，计算时的设定参数见表1，材料分区见图1。

图1 堤防横断面示意图Fig.1 Embankment section geometry

表1 区域材料参数表Table 1 Area material parameter table

根据研究区的实际情况，为考虑不同洪水位条件下对渗流结果的影响，对水位赋予不同值，得到在不同水头压力下的渗流要素结果[9-11]。本文分别对3种水头进行二维渗流分析，从影响渗流的角度提出堤防防渗措施的合理性建议[12-15]。

2 模拟方案设定

2.1 模拟断面的设定

根据研究需要，结合资料分析和野外调查结果，本文选择3个典型横断面作为模拟断面，其中包括大洪水年堤防决口处横断面[15-18]。

2.2 不同洪水方案的设定

为分析不同水位条件下的渗流及破坏情况，根据资料分析和野外调查结果，本文设定3种不同洪水方案，见表2。

3 典型断面混合堤渗流模拟结果分析

3.1 50年一遇设计洪水位

50年一遇设计洪水位条件下的混合堤渗流模拟结果见图2～图4。

图2 50年一遇设计洪水位条件下断面流动路径图Fig.2 Flow path of section under design flood level in 50 years

由图2～图4可见，堤防背水坡堤脚处有渗流且流量较大，渗流流通路径较密集，流速也相对较大。临近坡降代表土体的抗渗强度，反映了土体抵抗破坏渗透的能力。允许比降通常由原状土室内测验求得，也可由经验确定，根据工程地质资料取允许比降为2.0。堤身坡降极小，堤基上层低液限黏土层及堤脚处等出水处存在坡降值，坡降值由迎水坡逐渐降低，再至临近背水坡坡脚处，坡降明显有所升高，此断面坡降模拟计算结果最大值为1.15，小于黏土达到渗流破坏的临界坡降，堤防抗渗稳定性满足要求，不会产生渗透破坏。

表2 不同洪水方案Table 2 Different flood scenarios statistics

图3 50年一遇设计洪水位条件下断面渗流速率云图Fig.3 Section flow rate cloud under design flood conditions in 50 years

图4 50年一遇设计洪水位条件下断面坡降云图Fig.4 Section slope contours under design flood conditions in 50 years

3.2 大洪水年最高洪水位

3.2.1 渗流场影响分析

在大洪水年最高洪水位(46.88m)条件下，对断面进行渗流路径分析，模拟结果见图5。

由图5可见，流线在堤防迎水坡以垂直入渗为主，经过堤基低液限黏土层，部分转为水平方向，沿堤基底部级配不良中砂层流向下游地基，并有方向向上流出下游地面趋势，另有一部分转为垂直向上流向堤身上层砂性土层，从堤防背水坡堤脚处流出，总体渗流路径较均匀[19]。在堤防背水坡堤脚处设计建有固脚，在一定程度上可以降低管涌破坏，是否发生破坏还需要根据流速、坡降的具体数值进行判断[20]。

3.2.2 流速影响分析

在大洪水年最高洪水位条件下，各断面渗流速率云图见图6。由图6可见，堤防渗透速率较小，整个区域渗透速率<0.8 m/d。在堤身处渗透速率较高，最高流速点在堤身背水侧坡脚处，最高流速约为0.701 m/d。堤防产生渗流破坏的可能性较小。

图5 大洪水年最高洪水位条件下断面流动路径图Fig.5 Flood path of section under the maximum flood level of flood year

图6 大洪水年最高洪水位条件下断面渗流速率云图Fig.6 Cloud of seepage rate under maximum flood level in flood year

3.2.3 坡降值与破坏可能性分析

各断面的坡降可以由数值模拟直接得出，堤防坡降云图见图7。由数值模拟结果可知，堤防背水坡堤脚处有渗流流量较大，渗流流通路径较密集，流速也相对较大，很可能发生渗透破坏。根据工程地质资料取允许比降值为2.0。由图7可见，堤身坡降极小，堤基上层低液限黏土层及堤脚处等出水处存在坡降值，坡降值由迎水侧逐渐降低，再至临近背水坡坡脚处，坡降明显有所升高，断面坡降模拟计算结果最大值为1.35，小于黏土达到渗流破坏的临界坡降，堤防抗渗稳定性满足要求，不会产生渗透破坏。

根据大洪水年最高洪水位条件下对堤防渗流场、流速和坡降的影响分析，可以判定在大洪水年最高洪水位条件下堤防不会产生渗透破坏。

3.3 200年一遇超大洪水位

200年一遇超大洪水位条件下混合堤渗流模拟结果见图8～图10。

图7 大洪水年最高洪水位条件下断面坡降云图Fig.7 Flooding of section at maximum flood level in flood year

图8 200年一遇超大洪水位条件下断面流动路径图Fig.8 Flow path of section under the condition of large flood level in 200 years

由数值模拟结果可知，堤防背水坡堤脚处有渗流且流量较大，渗流流通路径较密集，流速也相对较大，很可能发生渗透破坏。根据工程地质资料取允许比降值为2.0。堤身坡降极小，坝基上层低液限黏土层及堤脚处等出水处存在坡降值，坡降值由迎水坡逐渐降低，再至背水坡临近坡脚处坡降明显有所升高，此断面坡降模拟计算结果最大值为4.80，最大坡降大于黏土达到渗流破坏的临界坡降，抗渗稳定性不能满足要求，会产生渗透破坏。

图9 200年一遇超大洪水位条件下断面渗流速率云图Fig.9 Phenomenon of seepage rate of cross section in 200 years

图10 200年一遇超大洪水位条件下断面坡降云图Fig.10 Event of a large flood level under the conditions of the slope down the cloud map in 200 years

4 结 论

以典型堤防工程为例，根据岩土体渗流场基本方程，堤防最大浸泡时间≥45 d，结合堤防工程地质条件建立了渗流运动的有限元数值模型，对50年一遇设计洪水位45.45 m、大洪水年最高洪水位46.88 m和200年一遇超大洪水位48.67 m进行数值模拟计算。

3种方案堤防渗流模拟流速影响分析结果表明，堤基下层和堤身处渗透速率较堤基上层渗透速率高，堤防背水坡堤脚处渗流流通路径较密集。

渗流模拟坡降结果表明，堤身坡降较小，堤基上层低液限黏土层及堤脚处等出水处存在坡降值，坡降值由迎水坡逐渐降低，再至临近背水坡堤脚处坡降明显有所升高。

3种方案堤防渗流场、流速和坡降的影响分析表明，在50年一遇设计洪水位、大洪水年最高洪水位条件下堤防不易产生渗透破坏，在200年一遇超大洪水位条件下堤防易产生渗透破坏，需采取工程防渗措施。工程设计规划能够满足防洪需要，设计合理可靠。

[1] 邱宽红， 吕达伟， 黄斌.堤防工程渗流稳定性数值分析[J]. 人民长江， 2011， 42(S2): 155-156.

[2] 张海旭. 水位涨落情况下干支流交汇处堤防稳定性分析[D]. 长沙: 长沙理工大学，2012.

[3] 岑威钧， 李邓军， 和浩楠. 持续强降雨引发水位耦合变化条件下堤防渗流及稳定性分析[J]. 河海大学学报：自然科学版， 2016， 44(4):364-369.

[4] 戴长雷， 付强， 杜新强， 等. 地下水开发与利用[M]. 北京: 中国水利水电出版社， 2014: 74-78.

[5] 梁忠民， 钟平安， 华家鹏. 水文水利计算[M]. 北京: 中国水利水电出版社， 2008: 46-50.

[6] 姜树海， 范子武. 堤防渗流风险的定量评估方法[J]. 水利学报， 2005， 36(8): 994-999.

[7] 陆垂裕， 杨金忠， 蔡树英， 等. 堤防渗流稳定性的随机模拟[J]. 中国农村水利水电， 2002(12): 76-78.

[8] 季山. 民国以前嫩江、松花江的水患与堤防工程[J]. 黑龙江水专学报， 1999， 26(2):1-4.

[9] 张瑜. 基于Fluent的堤防工程渗流场数值分析[D]. 太原: 太原理工大学， 2013.

[10] 陈雨瑶， 李爽， 李治军，等. 八岔段堤防渗流模拟模型分析与构建[J]. 黑龙江水利， 2016， 2(7):32-37.

[11] Tabari M M R， Mari M M. The integrated approach of simulation and optimization in determining the optimum dimensions of canal for seepage control[J]. Water Resources Management， 2016， 30(3):1271-1292.

[12] 卢玉民， 徐泽平. 堤防渗流计算的基本方法与渗流控制措施[J]. 中国水利水电科学研究院学报， 2007， 5(4):291-295.

[13] 王贵宝. 温查尔河堤防工程渗流计算数值分析[D]. 哈尔滨: 东北农业大学， 2015.

[14] 肖鹏. 有限元数值模型法分析青一水库大坝渗流运动[D]. 哈尔滨: 东北农业大学， 2015.

[15] 高洪华， 叶兴， 胡兰东. 利用嫩江讷富堤防工程防御1998年特大超标准洪水的研究[J]. 黑龙江水专学报， 2000， 27(1):94-95.

[16] 戴长雷， 李治军， 林岚， 等. 黑龙江(阿穆尔河)流域水势研究[M]. 哈尔滨: 黑龙江教育出版社， 2014.

[17] 冯国栋. 土力学[M]. 北京：水利电力出版社， 1986.

[18] 水电部第五工程局. 土坝设计[M]. 北京: 水利电力出版社， 1978.

[19] 周建， 余嘉澍. 防洪堤稳定性的研究[J]. 水利学报， 2002， 33(7): 98-103.

[20] 严飞， 詹美礼， 速宝玉. 堤坝非饱和渗流模型试验[J]. 岩土工程学报， 2004， 26(2): 296-298.

Analysis of embankment engineering seepage simulation

ZHANG Xiao-Hong1a，1b， LI Yang1a，1b， CHEN Mo1a，1b，*， LI Shuang1a，2，LI Zhi-Jun1a，1b

(1.HeilongjiangUniversitya.SchoolofHydraulicandElectricPower;b.InstituteofGroundwaterinColdRegion，Harbin150080，China;2.SanjiangEngineeringBureauofHeilongjiangProvince，Harbin150081，China)

A seepage flow model and a seepage simulation scheme were established. In order to analyze the seepage and damage in different water level conditions， according to the data analysis and field survey results， the flood level in the 50 years， including the flood level， the flood year and the 200 years flood water level were simulated and analyzed. Based on the analysis of the mixed dike， the flow path diagram， the seepage rate cloud and the slope descent were obtained， and the seepage result was analyzed. The analysis results of the anti-seepage flow field， the influence of the flow rate and the numerical results of the slope drop and the analysis of the damage probability under the three different water level scenarios showed that in the 50 years， the design flood level and the maximum flood level. It is not easy to produce osmotic damage， embankment impermeability stability can meet the requirements， in 200 years in case of large flood conditions under the embankment prone to osmotic damage. Engineering anti-seepage measures are required.

embankment;model;simulation;mixed embankment;seepage

10.13524/j.2095-008x.2017.03.035

TV871

A

2095-008X(2017)03-0020-06

2017-07-26;

2017-08-07

黑龙江省科技厅项目(GZ16B014)

张晓红(1991-)，女，黑龙江鸡西人，硕士研究生，研究方向：水文学及水资源，E-mail: hss_zhangxiaohong@126.com;*

陈 末(1989- )，女，吉林公主岭人，讲师，博士，研究方向:地表水地下水联合模拟，E-mail:chenmocc12@163.com。