辽河堤防在高水位长时段浸泡下稳定及渗流模拟分析

(大石桥市南楼水利服务站，辽宁 大石桥 115103)

堤防是河流防洪的重要挡水建筑物，起到保护堤内耕地、乡村、城镇居民生命和财产安全的重要作用。在洪水流量大、水位高且历时长的情况下，堤防的稳定性就显得尤为重要。此时，堤防内浸润线较高，且由于水的作用会导致堤防填筑材料的物理和力学性质变差，进而导致堤防的稳定性降低，安全系数急剧减小，严重时会发生滑坡、溃堤等事故。另外，由于在洪水时河道内水位较高，造成堤防内外水头差增大，当堤防或者地基渗透性较强或盖层较薄时，堤防和堤基易发生渗透破坏，严重时发生管涌、决堤等事故[1-5]。

1 辽河概况

辽河发源于河北省平泉七老图山，在辽宁省盘锦市汇入渤海，全长约1350km，流域面积约22万km2。辽河流域自古代便有水灾的记载，最早的记录在三国时期的《晋书》里，在清朝时辽河发生水灾的年份多达89年。辽河流域最早的堤防修建在清嘉庆时期，民国时期也有修建，但修建规模较小。辽河堤防在20世纪80年代末到90年代初经整治加固后形成连续的防洪体系，干流堤防长约680km，能有效抵御洪水，有效避免洪水带来的生命和财产损失。由于辽河两岸多为辽河洪水形成的冲洪积地貌，地层主要为第四系松散堆积层，以砂性土为主，两岸已建堤防也多由砂性土填筑而成。因此，在洪水过境堤防受高水位长时间浸泡时，砂性土堤防能否稳定，不发生渗透破坏，是需要重点研究的问题。

2 计算模型及参数

以辽河干流堤防右堤L112 ∶1+500为典型断面，根据地质资料，该断面处底部为沉积黏土层，渗透系数很小，视为不透水边界，其上有三层视为透水地层，分别是：粉土、粉细砂和细砾。计算模型根据典型断面的实际尺寸进行概化，水平尺寸为47.80m，见图1(a)。迎水坡水位按照堤防的设计水位56.40m选取。渗流采用稳定流计算，边坡稳定模拟的网格划分见图1(b)，渗流稳定模拟的网格划分见图1(c)，各单元土层的计算参数见表1、表2。

图1 计算模型及网格划分

表1 各土层土体模量和强度参数

表2 各土层土体物理性质和渗透系数

3 长时段浸泡下堤坡稳定模拟结果及分析

3.1 浸泡时间对堤坡稳定性的影响

浸泡时间对堤坡稳定性的影响主要表现在浸泡会对土体的抗剪强度产生较为明显的影响，随着浸泡时间的变长土体抗剪强度逐渐降低。为了掌握浸泡对土体强度影响的规律，对典型断面处的表面粉土采取原状土样，进行了长期浸泡下的三轴剪切试验，试验结果见表3。根据表3的试验结果，在数值模型中分别计算出不同浸泡时间时堤坡的抗滑稳定安全系数(见图2和表4)和堤坡浸泡不同时间时最危险滑动面(见图3)。

表3 不同浸泡时间时粉土抗剪强度变化

图2 浸泡时间与堤坡抗滑稳定安全系数的关系曲线

由表3可知，粉土受水浸泡不同的时间，其黏聚力和内摩擦角均有所减小，尤其是黏聚力下降较快、变化剧烈，浸泡3天后就降低为初始值的一半左右，浸泡15天后仅为初始值的约1/4，浸泡30天后仅为初始值的约1/5，而内摩擦角的变化较小，最大仅下降16.90%，且与浸泡时间长短没有逐渐减小的规律，分析原因可能与原状样本身的差异有关。

表4 不同浸泡时间时堤坡抗滑稳定安全系数变化

图3 不同浸泡时间堤坡最危险滑动面

由图2、表4和图3可知，随着浸泡时间增加，土体强度参数降低，堤坡的抗滑稳定安全系数也随之降低，尤其是刚开始浸泡的10天之内安全系数下降最快，浸泡3天时安全系数下降约30%，浸泡10天时安全系数下降约54%，而浸泡30天时安全系数下降约60%，相对前面10天来讲，后面20天安全系数下降幅度变小，逐渐趋于稳定。随着浸泡时间的增加，堤防最危险滑动面的滑动半径逐渐减小；堤防在未被高水位浸泡时，最危险滑动面的滑动半径较大，底部可以到细砾区，堤坡失稳的可能性很小；堤防在受高水位浸泡一段时间后，最危险滑动面的滑动半径变小，底部在粉细砂层内，堤坡破坏的可能性很大。根据模拟结果，浸泡30天时的安全系数为2.38，依然大于规范规定的安全系数，尚未达到堤坡滑坡的程度，建议此类地质条件的堤防坡比应缓，并尽量采用物理力学性质好的土料进行填筑。

3.2 浸泡时间对堤防渗流稳定的影响

计算堤防典型断面的渗流场速度矢量与浸润线见图4，渗流场水力坡降见图5。根据表2各土体的颗粒分析成果对各土层的渗透破坏形式及临界水力坡降进行计算，并除以浸泡30天时堤坡的安全系数2.38作为各土层允许水力坡降(见表5)。

图4 堤防典型断面的渗流场速度矢量与浸润线

图5 堤防典型断面的渗流场水力坡降

表5 堤防各土层允许水力坡降

由图4、图5和表5可知，堤防迎水坡水位达到设计水位56.40m时，堤防内堤脚部位形成出逸点，由堤防内的流速矢量场可以看出水流流速较小，堤脚处只有很少的水可以出逸，堤身和出逸点的单宽渗流量为0.24m3/(d·m)，流量较小。由堤防渗流场水力坡降图可以看出粉土层出逸点位置的水力坡降为0.20，小于该土层允许水力坡降0.38，发生流土破坏的可能性很小；粉砂层和细砾层的渗透坡降均小于0.20，小于其允许水力坡降且差距较大，也不会发生管涌破坏。综上所述，堤内堤脚处虽有出逸但流量较小，渗流主要发生在粉细砂层和细砾层中，且出逸点处渗流稳定，不会发生流土或管涌渗透破坏。

4 结 论

通过对辽河干流堤防典型断面的堤坡稳定和渗流稳定模拟分析，在达到设计水位时且经过一定时间浸泡后，土体强度参数降低，堤坡的抗滑稳定安全系数也随之降低，刚开始浸泡的10天之内安全系数下降最快，下降约54%。随着浸泡时间的增加，堤防最危险滑动面的滑动半径逐渐减小，堤坡破坏的可能性很大。堤防内堤脚部位形成出逸点，但流量较小，渗流主要发生在粉细砂层和细砾层中，且出逸点处渗流稳定，不会发生流土或管涌渗透破坏。建议此类地质条件的堤防坡比应缓，并尽量采用物理力学性质好的土料进行填筑。