基于GeoStudio渗流模拟的堤防堤身材料优选

李治军,董 智,陈 末,卢 松

(1.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

中国是洪灾、潮灾较为严重的国家，堤防是抵御洪水、潮水危害的一个基础工程。但由于堤防两侧存在较高的水头差，致使堤身及地基存在渗流，影响堤防稳定[1-4]。因此，掌握堤身及地基的渗流特点，便可以采取合理措施改变渗流情况来提升堤防稳定。不同材料的渗透系数是影响堤身及地基的渗透的重要因素之一，因而研究不同渗透系数材料组成的堤防及地基渗流规律有着重要意义。现国内主要使用的渗流分析软件有理正、ANSYS、Autobank、GeoStudio 4款软件。其中加拿大岩土公司开发的GeoStudio软件中的渗流稳定分析模块(SEEP/W)可以对复杂的渗流情况进行精确的分析，计算结果快，更人性化，有较高的实用性，可以符合实际工程技术和精度的要求[5-8]。

现对堤防工程3种不同地基(基层细砂、粉质土壤、中密夹砂粉质黏土)情况下，分别设定低液限黏土、粉质黏土、黄土、砂性土4种不同的堤身工程材料，利用GeoStudio 2012软件的SEEP/W模块对堤防工程进行渗流数值模拟，直观地显示出堤防整体的渗流情况，再通过对比分析，可以迅速筛选出不同地基条件下适合的堤身材料，为堤防工程建设提供相关科学支撑。

1 堤防概况

华中地区某河因洪涝灾害阻碍农业与经济的发展而需修建堤防，该堤防工程共有5段堤防，总长度121.75 km。河床表层地质一般多为夹砂粉质土壤、细砂为主的夹砂土壤以及粉质土壤，强度低，工程地质条件较差，但是深层基岩节理结构发育完全。现取其中一段堤防工程，河道水深5 m，堤顶设计宽度5 m，迎水坡坡比1∶3，背水坡坡比1∶2，堤趾距坡顶24 m，堤踵距坡顶16 m，堤防断面为梯形堤防，地基厚度为4 m，断面示意见图1。现根据河床的地质状况，在模拟时将地基材料定义为基层细砂、粉质土壤、中密夹砂粉质黏土，堤身材料设定为堤低液限黏土、粉质黏土、黄土、砂性土等4种材料。

图1 堤防断面示意

2 模型构建

GeoStudio软件中的SEEP/W模块采用有限元分析的方法，可自动生成四边形和三角形网格将设计的剖面分割成任意尺寸小单元格。以此为基础，能模拟复杂多孔介质的地下水渗流和超孔隙水压力消散问题，即可计算饱和、非饱和渗流，也可模拟计算稳定、非稳定水头渗流[7,9-13]。本文构建的堤防渗流模拟模型包括二维渗流控制方程、初始条件和边界条件，并利用SEEP/W模块对水头不变的堤防进行渗流模拟计算。

模型构建过程可分为建立几何模型、划定材料区域、网格剖分与定义材料属性、材料填充、设置边界条件和求解并输出结果等6个步骤[14]：①用AutoCAD 2016作出图形，保存成DXF格式，导入GeoStudio 2012，设置比例和坐标生成基本底图；②绘制材料区域；③剖分区域生成单元格，单元格尺寸为0.1 m，共划分34 482个节点，33 956个单元[15]，设定划分区域的材料属性，所选的材料属性见表1；④材料填充；⑤设定新的边界条件，给定稳定水头为河道水深5 m；⑥结果输出，根据实际要求可输出总水头、渗流速率、水力梯度、孔隙水压力等多种参数云图。其中，指定边界条件是渗流数值分析的关键，边界条件直接决定渗流计算结果，GeoStudio的SEEP/W模块中边界条件可以选择输入边界水头或边界渗流量，本次模拟选择输入边界水头[16-17]。

表1 不同材料的渗透系数

根据所研究的堤防概况，把基层细砂、粉质土壤、中密夹砂粉质黏土设定为地基材料。在同一种地基和同种水头的情况下设定不同的堤防堤身材料，利用GeoStudio软件中的SEEP/W模块进行模拟。根据模拟结果确定堤身选材优良区间、堤身渗流逸出段和地基渗流逸出段位置，进而提出堤防材料搭配建议和有效防渗措施。

3 模拟结果分析

3.1 基层细砂地基的渗流模拟及分析

模型地基材料定义为基层细砂，基层细砂的渗透系数6.01×10-2m/s，将堤身材料设定为低液限黏土、粉质黏土、黄土、砂性土等4种。将堤身材料的渗透系数输入模型中，观察堤身与地基间的渗流变化情况，从总水头、渗流梯度2个方面来做渗流参数分析，基层细砂地基模拟结果见图2、3。

由图2观察可知，随着堤身材料的改变即材料的渗透系数的改变，可以发现以下变化：①随着渗透系数的增大，地基分布的渗流路径逐渐稀疏，堤身分布的渗流路径逐渐密集，最高水头和最低水头区域变大且水头变化线逐渐缩短，渗流途径变短，堤身渗流逸出段与地基渗流逸出段位置后移；②粉质黏土堤身底部渗流总水头变化路径最长，数值变化平缓且渗流路径分布均匀，相对其他3种堤身渗流更为稳定，安全性更高。

a) 低液限黏土堤身总水头变化云

b) 低液限黏土堤身底部总水头变化

c) 粉质黏土堤身总水头变化云

d)粉质黏土堤身底部总水头变化

e) 砂性土堤身总水头变化云

f) 砂性土堤身底部总水头变化

g) 黄土堤身总水头变化云

h) 黄土堤身底部总水头变化

图2基层细砂地基总水头变化

由图3a—3d的观察可以得出：4种堤身材料中粉质黏土和黄土渗流梯度分布均匀，且未出现最大渗流梯度变化。粉质黏土和黄土二者之间粉质黏土较黄土的渗流矢量路径分布更为均匀，渗流更为稳定。同时，由模拟变化过程可知，随着堤身渗透系数的逐渐变大，渗流路径是逐渐变短且地基渗透系数与堤身渗透系数相差越大越易出现集中渗流，在运行期间可能会发生流土或管涌[3,18-21]。

a) 低液限黏土堤身渗流梯度云

b) 粉质黏土堤身渗流梯度云

c) 砂性土堤身渗流梯度云

d) 黄土堤身渗流梯度云图3 基层细砂地基渗流梯度参数云

3.2 粉质土壤地基的渗流模拟及分析

模型地基材料定义为粉质土壤，粉质土壤渗透系数8.5×10-3m/s。只改变地基材料这一变量，堤身材料设置与3.1设置相同，然后对堤防断面的孔隙水压力、总水头变化和渗流梯度(水力坡降)这3个参数进行分析，粉质土壤地基模拟结果见图4、5。

观察分析图4可得以下结果：①从堤身孔隙水压力云图可得，堤身材料的变化对孔隙水压力分布变化影响不大，依旧是渗流路径分布变化明显，其中以黄土堤身模拟的渗流路径最优；②从总水头变化图可知，与基层细砂地基相比，相同堤身材料在粉质土壤地基情况下，总水头变化更加平缓且总水头变化最佳情况是在堤身材料被设置成黄土。

由图5a —5d可知：①不同堤身材料的渗流梯度模拟结果存在较大差异，当堤身材料设定成砂性土时，最大渗流梯度为0.9同比其他材料最小，但是砂性土堤身模拟出的渗流梯度变化较快，不利于堤防稳定，见图5c；②在堤身材料为低液限黏土、粉质黏土时，渗流梯度变化在地基处近乎没有，只出现在堤身，对堤防稳定不利，当堤身材料为黄土时，渗流梯度变化缓慢且分布较为均匀，没有出现最大的渗流梯度变化，模拟结果最好。

a) 低液限黏土堤身孔隙水压力云

b) 低液限黏土堤身底部总水头变化

c) 粉质黏土堤身孔隙水压力云

d) 粉质黏土堤身底部总水头变化

e) 砂性土堤身孔隙水压力云

f) 砂性土堤身底部总水头变化

g) 黄土堤身孔隙水压力云

h) 黄土堤身底部总水头变化

图4粉质土壤地基孔隙水压力云及总水头变化

a) 低液限黏土堤身渗流梯度云

b) 粉质黏土堤身渗流梯度云

c) 砂性土堤身渗流梯度云

d) 黄土堤身渗流梯度云图5 粉质土壤地基渗流梯度云

3.3 中密夹砂粉质黏土地基的渗流模拟及分析

模型的地基材料定义成中密夹砂粉质黏土，中密夹砂粉质黏土渗透系数2.6×10-3m/s。只改变地基材料这一个变量，堤身材料设置与3.1相同，然后对渗流速率这一个参数进行分析。同时与地基为基层细砂和粉质土壤时候的情况作比较，然后观察分析三者间的异同。中密夹砂粉质黏土地基的渗流模拟结果见图6。

由图6a — d可知，在堤身材料设置为低液限黏土时，地基渗流路径集中，出现集中渗流的可能性最大；在堤身材料变为黄土时渗流路径分布均匀，且最大渗流流速面积较小；在堤身材料为砂性土时，渗流路径主要分布在堤身，对堤防稳定性不利。将3种地基的最大渗流速率采集制成折线见图6e，可以发现，在采用相同堤身材料时，粉质土壤地基的最高渗流速率最大，中密夹砂粉质黏土次之，地基为基层细砂时的渗流速率最小。但是，三者的变化趋势相同且在堤身材料变为黄土之后重合。

a) 低液限黏土堤身渗流速率云

b) 粉质黏土堤身渗流速率云图6 中密夹砂粉质黏土地基XY速率参数云及最高渗流速率变化

c) 砂性土堤身渗流速率云

d) 黄土堤身渗流速率云

e) 最高渗流速率变化续图6 中密夹砂粉质黏土地基XY速率参数云及最高渗流速率变化

4 结论

a) 材料处于饱和状态且在水位不变的情况下，堤身材料与地基材料的渗透系数越相近，渗流路径分布越均匀，不易产生集中渗流情况；堤身材料渗透系数比地基渗透系数大2个及2个以上的数量级时，易发生集中渗流，需做好地基的防渗透破坏措施。例如，做水平铺盖、打板桩来延长渗径[22-25]。

b) 总的模拟结果显示，堤防地基与堤身的材料分别为基层细砂-粉质黏土、粉质土壤-黄土、中密夹砂粉质黏土-黄土3种组合时，堤防渗流路径最均匀，水力梯度小且变化平稳，总水头变化缓慢，堤防最为安全稳定。