基于有限元法的堤防工程堤后加设盖重渗透比降影响分析

任 弈

(丹东市水利勘测设计研究院，辽宁 丹东 118000)

1 工程基本概况

MC堤防工程位于爱河流域内。爱河是鸭绿江较大支流之一，也是丹东市境内最大的1条河流，流域位于E123°41′-124°45′，N40°10′-41°05′之间，东接蒲石河，南临鸭绿江，西与大洋河相邻，北以太子河分水岭为界。爱河发源于宽甸双山子镇老木垛子岭，流经宽甸、凤城和丹东市振安区，于九连城镇注入鸭绿江。爱河干流全长191.7 km。流域面积5300 km2。由M堤防工程构成的防洪区,保护对象为五个自然行政村,总面积为1400hm2，防洪堤工程设计洪水标准50a一遇,堤防级别2级。

2010年8月19—22日，丹东地区遭遇历史罕见暴雨和大暴雨，平均降雨量比丹东地区有记录历史最大561mm(1958年8月4日)多66mm，MC防洪堤险情严重，堤后出现管涌现象。当地水利部门及部队官兵连夜奋战，才将险情控制住[1]。

为了保护爱河流域MC段的沿河两岸的群众生命和财产安全，当地政府进行除险加固建设MC堤防工程。文章以此工程为例，对堤防工程建设方案进行了比选，并对堤防工程堤后加设盖重的渗透比降影响进行了计算分析。

2 工程水文地质概况

爱河江流域属中温带湿润气候区，多年平均降水量为800-1000mm。降水量集中于汛期，7-8月降水量约占年降水量的1/2。多年平均蒸发量为1000-1100mm。丹东站流域多年平均气温为8.5℃，最冷月份平均气温-8.8℃，极端最高气温34.3℃，极端最低气温-28.0℃；多年平均降水量1101.5mm，多年平均蒸发量1075.9mm(20cm口径)；多年汛期最大风速的平均值为13m/s，汛期的主风向为SSE[2-6]。

工程场地地震动峰值加速度为0.15g，地震基本烈度7°。土类型为中硬场地土，场地类别为Ⅱ类，最大冻深为1.20m。该工程堤基地层主要有粉质黏土、细中砂和卵石，堤基地质结构为多层结构。其中粉质黏土位于现有堤防以内的一级阶地的上部，细中砂局部存在于卵石层上部或夹在卵石层之中，而卵石层位于现有堤防底部和堤防以外的河漫滩。各土层渗透变形及水力比降，见表1；各土层渗透系数，见表2。

表1 场地各土层渗透变形及水力比降

表2 场地各土层渗透系数表

3 堤防建设方案比选

3.1 堤防建设有以下3个方案

1)方案1：迎水侧堤身防渗斜墙。由于现场缺乏防渗土料，拟采用土工膜做为防渗材料，迎水侧设计洪水位+0.5m以下坡面及河滩水平面铺设一层土工膜，水平铺设长6m。

2)方案2：背水侧设置水平压渗盖重。在清理好的背水侧堤坡上先铺一层土工布，在背水侧坡面上填充砂砾料，顶部高程高出逸出点1.0m以上。

3)方案3：堤身垂直防渗。在堤顶沿堤防走向用开槽机在堤身内垂直成槽，然后铺设土工膜并用黏土浆回填。

3.2 方案特点

1)方案1：施工简单易操作，与迎水侧坡面护砌融为一体。

2)方案2：施工简单易操作，所需材料当地储量丰富，并能达到增大堤坡安全稳定系数，但背水侧占地较多。

3)方案3：施工机械特殊，施工难度大，对原堤身结构产生破坏，影响堤身结构抗滑稳定。

通过比较以上3种方案的特点，方案3施工困难，不易操作，且对原堤身结构影响较大，本次设计仅对方案1、方案2进行经济比较。每延米方案1造价2497元，方案2造价1384元，故采用方案2。

现状堤防迎水侧护砌良好，且拟处理段背水侧具有充足的加固位置，本次设计MC防洪堤堤基加固采用堤后设置水平压渗盖重。盖重施工简单易操作，所需材料当地储量丰富，并能增大堤坡安全稳定系数，运行管理及维护都较优越，缺点是背水侧占地较多[7-11]。

4 加盖重前渗流计算分析

MC防洪堤现状堤顶宽度6.0m，迎水坡坡比为1∶1.6，背水坡坡比1∶2.0，堤防迎水坡采用绿滨垫砌石护坡，厚度为30cm，内部有砂卵石垫层，并下设土工布，固滨笼护脚。

根据地质以及设计水面距堤顶高度、堤身原有土质、料场土质及堤基土质等条件的不同，并且按照设计洪水位距堤后地面高程等因素综合考虑，选取计算断面，MC河段堤防计算断面图，见图1。

图1 MC河段堤防计算断面图

利用有限元计算的各点比降，MC河段堤防有限元计算断面成果图，见图2；同时通过利用有限元计算加盖重前浸润线及加盖重前渗透比降，加盖重前浸润线成果表，见表3；加盖重前渗透比降计算成果表，见表4。

图2 MC河段堤防有限元计算断面成果图

表3 加盖重前浸润线成果表

表4 加盖重前渗透比降计算成果表

根据利用有限元分析软件计算，从表4、表5中可以看出，MC堤基渗透比降均>允许渗透比降，不满足要求，需对堤基进行加固处理。

5 堤基加设盖重设计分析

5.1 盖重长度计算

MC防洪堤盖重长度均按照《堤防除险加固实用技术》布莱蠕变化比进行近似计算[12]，计算公式为：

式中：CB为布莱蠕变化，堤基材料为卵石，取9；X1为堤前防渗铺盖有效长度，m；L为堤防底宽，m，宽29.29m；h为堤防净水头，m，高3.87m；X为背水侧压渗盖重戗体的宽度，m。

经计算，MC防洪堤：X1=0m，计算X=5.54m，取X=6.00m；设计背水侧压渗盖重长度6.00m。

5.2 盖重厚度计算

盖重厚度的计算采用《堤防工程设计规范》GB50286-2013公式，计算公式为：

(2)

式中：ti为盖重厚度，m，计算值2.11m，取2.20m；hi为根据渗流计算求得的表层弱透水层的承压水头，m，1.65；Gs为表层弱透水层土粒的比重，2.65；n为表层弱透水层土粒的孔隙率，0.383；t1为表层弱透水层厚度，m，0.5；ρ为盖重砂砾料的密度，均为2080kg/m3；ρw为水的密度，取1000kg/m3；K为盖重安全系数，取1.5。

经过计算，堤后盖重材料采用砂砾料填筑，填筑厚度自背水侧堤脚向上高度2.17m，实际设计中填筑砂砾料厚度2.4m(其中包括底部清基0.20m厚)。

5.3 盖重反滤层设计

根据《土工合成材料应用技术规范》(GB/T50290-2014)计算反滤层—土工布。

土工布保土性计算公式：

O95≤Bd85

(3)

式中：O95为土工织物的等效孔径，mm；d85为土的特征粒径，mm，按土中<该粒径的土粒质量占总土粒质量的85%确定，卵石d85=45mm；B为系数，按工程经验确定，取1。

经计算，土工布O95≤45mm。

土工布透水性计算公式：

kg≥Aks

(4)

式中：A为系数，按工程经验确定，取10；kg为土工织物渗透系数，cm/s，ks应按其垂直渗透系数kv确定；ks为土的渗透系数，cm/s，卵石ks=4.0*10-1cm/s。

经计算，土工布kg4.0*10-1cm/s。

土工布防堵性应符合下列要求：以现场土料制成的试样和拟选土工织物在进行淤堵试验后所得梯度比GR应符合GR≤3。

综合上述计算得出，本次设计土工布O95≤45mm，kg≥4.0*10-1cm/s，GR≤3。根据《土工合成材料短纤针刺非织造土工布》(GB/T17638-2017)中所列出土工布指标选取，15kN/m土工布满足本次设计要求。

5.4 盖重型式确定

在清理好的背水侧堤坡上先铺一层15kN/m土工布，再填筑砂砾料，填筑厚度自背水侧堤脚向上高度2.4m(其中包括底部清基0.20m厚)，盖重顶宽6m，坡比1∶2.0，顶部高度至少在逸出点以上1.0m，MC河段堤防加盖重后计算断面图，见图3。

利用有限元分析软件，计算堤后加盖重后渗流情况，MC河段堤防加盖重有限元计算断面成果图，见图4；同时通过利用有限元计算加盖重后浸润线及加盖重后渗透比降，加盖重后浸润线表，见表5，加盖重后渗透比降计算成果表，见表6。

图3 MC河段堤防加盖重后计算断面图

图4 MC河段堤防加盖重有限元计算断面成果图

表5 加盖重后浸润线表

表6 加盖重后渗透比降计算成果表

根据利用有限元分析软件计算，从表5、表6中可以看出，MC堤工程加盖重后基渗透比降均小于允许渗透比降，满足要求。

6 结 论

通过对比计算，证明堤后加设土工布及砂砾料盖重兼具透水及压重的作用，能够使得原堤后坡堤脚位置的渗透比降有效降低，预防了堤后管涌导致的渗透破坏，达到了“保土排水”的作用。同时，MC堤防工程加设土工布及砂砾料盖重技术将在辽宁地区河道堤防工程建设起到了示范作用。