基于水力模型试验的堤防工程安全运营分析研究

黄健华

(广东省源天工程有限公司，广州 511340)

1 概 述

堤防工程作为防洪水利枢纽，其安全运营关乎防洪安全以及水资源的安全利用等，研究堤防安全长期稳定运营对提升防洪设计以及水利安全意识均有重要意义[1-3]。目前，一些学者与专家采用数值试验的方法，借助仿真软件建立水工结构模型，并根据工程现场实际工况施加约束荷载，研究水工模型破坏过程或运营过程应力位移分布特征；另一方面，亦可采用渗流模拟研究手段，分析渗流场分布演化特征，为工程除险加固或水利设计提供参考[4-6]。由于工程现场实际运营过程中变化较大，因而在现场安装微震监测仪或其他现场监测仪器，可实时对工程现场安全状态进行分析，并及时预判工程运营安全稳定性[7-9]。水工物理模型试验对研究现场实际运营过程中工程结构状态提供了重要的研究手段，很多专家学者利用模型试验理论在室内建立水工结构模型，分析模型渗流、溃坝、动力响应等特征，为水利设计提供重要的试验依据[10-12]。本文利用水力模型试验，研究堤防工程在高水位运营过程中边坡安全性以及渗流场演化特征，为堤防枢纽工程长期安全运营评价提供参考指标。

2 模型试验介绍

2.1 工程概况

某防洪枢纽工程作为地区内调水、控水、蓄水等复合型水资源调度水利设施，为地区供水以及水资源净化修复提供重要作用，年可供水量超过300×104m3，按照50年一遇洪水位设计拦水大坝，确保水资源安全高效利用。该枢纽工程包括泄洪闸、抽水泵站、拦污栅以及堤防大坝等水工结构，其中泄洪闸设计为多孔式水闸，单孔尺寸为5 m×3 m，闸门采用弧型钢闸门，半径为1.8 m，以液压式启闭机作为开度控制设施，确保通行流量对水工结构以及下游用水工程不产生水力威胁。拦污栅与堤防大坝一起构成上游水位重要的水利控制结构，堤防大坝长度超过1 000 m，坝顶宽度为3 m，坝体主要为砂土堆料及细砾石土，含水量较低，部分细砾石土沉降变形较大，室内初步测试弹性模量远高于普通堆石料体；坝身表面铺设土工布，坝趾处设置厚70 cm防渗墙，共同构成堤防大坝防渗系统。现由于该堤防大坝运营年限较长，部分堤段出现渗流活跃，下游河坡的混凝土灌浆设施出现局部失稳现象，分析认为该堤防大坝运营稳定性欠佳，局部坝身应进行加固维护。为此，工程设计部门讨论先利用物理模型试验理论，设计堤防工程模型试验，研究有关堤防安全的边坡、渗流场状态等特征参数，为评价堤防安全运营及加固除险提供重要参考。

2.2 模型试验介绍

本文重点分析的堤段为Z2+120～Z2+128断面处，上下游坡度比均为1/3.5，边坡轴线长度为15.4 m，堤脚水平延伸至其他坝脚或坝趾处，此设定为模型工程的边界，上覆土层为砂土，该区段内砾石料沉降变形较大，局部还存在有下卧粉土，对堤防安全具有重大威胁，因而模型试验也以该断面为基础开展分析研究，并逐步扩展至其他区段内，该区段堤防断面图见图1。

图1 堤防断面图

为确保模型试验结果准确性，设定模型长度比尺为10，渗流作用力以及其他运动力等比尺亦设定为10，室内模型所用土料均为现场钻孔取样所得天然堆料，各水工设施均按照现场实际长度按照长度比尺为10进行缩放制作，另渗流运动时间比尺参数亦为10，填筑以及渗流运动均按照实际工况运营进行；枢纽工程工程中的水利调控采用抽水泵站与液压升降装置作为调水控制设施，该装置见图2。

图2 模型试验调水控制设施

为确保试验过程中相关渗流特征以及水力特征能够准确获取，设置测压管至堤防模型内部，每个测压管之间间距为25 cm，可实时传输相关数据至孔隙水压力监测系统内；边坡地形冲刷监测采用全自动地形测量系统，测量精度为1 mm；还设置有相关堆石料压力计以及变形监测传感器等，位移传感器安装位置见图3，最大间距为60 cm。

图3 位移传感器安装位置图

为与实际工程运营下保持一致，本文堤防工程物理模型所设定上游水位分别为56.5与57.5 m两个水位方案。另堤防边坡浸泡时间分别设定为6 d、8 d，堆石料试验方案按照砂土占比分别为超过50%的多砂区段、堤段砂土占比100%的全砂堤段。具体试验方案表见表1。

表1 试验方案表

试验步骤按照如下进行：

1) 利用调水控制设施对上游进水口放水，持续调水上游水位至模拟工况目标水位，同时各个测压管调试排气，确保测压监测系统工作状态完好。

2) 水位至目标水位后，堤防模型持续处于高水位浸泡，持续时间按照具体实验方案设定，并全程实时记录堤防模型相关渗流特征及堆石料土压力变化。

3) 高水位浸泡过程中，全自动地形测量仪应在清零后持续测绘，每完成一个试验方案应获得一个全程地形图数据。

4) 结束各项数据的测定，继续进行其他试验方案组。

3 堤防边坡稳定性试验结果

3.1 高水位蓄能下边坡稳定性

经模型试验观测及相关数据整理，获得高水位蓄能下堤防边坡地形高程变化曲线，见图4。

图4 堤防边坡地形高程变化曲线

从图4(a)水位蓄能前后对比特征曲线可看出，高水位下堤防边坡整体均发生了沉降变形，地形高程相比初始干燥地形下最大降低幅度达1.8%，位于断面61.4 cm处，相比其他断面处下降幅度，此处显著较高。分析认为该断面是分层堆筑施工的起点，当地层受到分层压实影响，耦合沉降变形与水流侵蚀影响，因而地形高程降低较大。在堤防边坡中间断面40～80 cm处，整体上幅度下降基本一致，无显著差异性，平均下降幅度为0.9%，该地段主要受到高水位蓄能水流冲蚀效应影响，堤防边坡产生流土，导致堤防堤脚土体滑移至末端，且随着时间推移，流土冲刷现象更显著，因而在堤防末端局部的地形出现上涨特征，区段长度占监测面的13%，上涨幅度约为0.07%。

图4(b)为多砂断面堤防工程在相同水位下地形高程变化曲线。从图4(b)中可看出，与图4(a)不同，整体上地形高程变化幅度减小，地形最大变化幅度出现在断面20 cm处，降低幅度为0.6%，分层堆筑断面15 cm处地形沉降变化幅度为0.2%，相比全砂断面均较小；在堤防坡脚末端，局部监测点地形高程涨幅可达0.1%，即渗流运动导致流土冲蚀堆积至末端。分析认为，多砂断面中存在少部分黏土与粉土等其他土体，相比全砂断面堤防土颗粒之间黏聚力较大，可一定程度上减弱由于高水位对堤防坡脚的冲蚀效应。

3.2 水位骤降期下边坡稳定性

图5为水位骤降期堤防工程断面地形高程云图。

图5 水位骤降期堤防工程断面地形高程云图

从图5可看出，坡脚处地形高程分布在52～56 m，相比堤防模型中间区域降低了3～4倍，为此本文给出水位骤降期两个不同土层断面地形高程对比曲线，见图6。

从图6可看出，多砂断面地形高程相比初始地形不仅有所涨幅的断面，亦有地形高程下降的断面。在断面44 cm处，地形高程相比初始堤防断面增长0.4%，且达到全断面上最大高程，达-53.6 m；在断面92 cm处，是全断面地形高程最低处，相比初始断面降低0.85%，表明水位骤降过程中不仅使堤防模型中局部土体流失，同时也会造成部分断面土体堆积严重。笔者认为多砂堤防模型在水位骤降过程中渗流作用仍会保持较高活跃，并持续沿着背水侧坡面运动，并聚集在背水侧，并与黏性较大的粉土、黏土等土体结合，形成局部孔隙水压差断面，因而造成部分地形高程增大，地形表面凸起。与多砂断面呈显著差异的是全砂断面，水位骤降过程中全断面地形高程均为下降，最大下降幅度达0.5%，由于全砂断面中不存在黏聚力特性，因而当水位骤降期水位急剧变化时，迎水侧渗流水压力在土层内无较强黏结性约束作用，将土层内堆筑料“裹挟”流失[13]，造成地形沉降，特别是在堤防模型中间断面40～50 cm处。

图6 堤防地形高程变化曲线(水位56.5 m骤降期)

为研究不同水位条件下骤降过程中地形变化特征，分别对水位56.5和57.5 m两种水位方案开展分析，见图7。

图7 堤防边坡地形高程变化曲线(不同水位骤降期)

从图7中地形高程对比可看出，水位56.5 m下地形高程受水位骤降期影响显著，最大降低幅度达5.5%；在水位57.5 m骤降过程中，其最大降低幅度达9.2%。分析认为，当水位愈高时，水位下降过程中堤防模型内部土体渗流仍保持较高或活跃状态，愈大的水头压力与土体内部渗流作用压力产生差距愈大，从而造成土层受到的沉降变形较大。综合分析认为，水位骤降期堤防模型土层稳定性影响主要与原始水位以及堤防模型土层有关，从工程安全运营角度考虑，堤防堆筑材料应保证多类型复合料，水位快速变化过程中应加固部分危险区段。

4 堤防工程渗流场试验结果

4.1 孔隙水压力

图8为两个水位方案下堤防模型相同深度下不同轴向位置处测压管中孔隙水压力变化曲线，图8中测压管位置参数指测压管与迎水坡埋设距离。从图8中测压管位置参数与孔隙水压力量值变化可知，位置参数愈大，则孔隙水压力愈小，当为相同时间第4天时，位置参数为20 cm的测压管中孔隙水压力为2.52 kPa，而位置为40、60和80 cm的测压管孔隙水压力值相比前者分别降低72.6%、76.6%和97.7%。两种水位下孔隙水压力分布与测压管位置参数关系均为一致，试验水位增大至57.5 m后，相同测压管中孔隙水压力有所增长，位置参数为40 cm测管在第3天时水位56.5 m中孔隙水压力为0.98 kPa，而水位57.5 m下相比前者增大70.5%。综合表明，孔隙水压力受迎水侧边坡内渗流运动影响，愈靠近迎水侧，渗流活动愈强烈，反映出的孔隙水压力愈大；而蓄水位愈大，堤防模型内部土体孔隙水压力可得到促进，反映相同位置参数的测压管则孔隙水压力值较大。

图8 测压管中孔隙水压力变化曲线(水位影响)

图9为相同轴向位置下不同埋深测压管孔隙水压力变化特征曲线，图9中位置参数指测压管埋深距离。从图9中曲线变化可知，测压管埋深位置与孔隙水压力为正相关关系，当堤防模型为多砂断面时，在第3天埋深距离为10 cm时孔隙水压力为0.7 kPa，而埋深距离增大至30和50 cm后，孔隙水压力相比前者分别增大2.1倍和3.85倍。当堤防模型为全砂断面时，前述埋深距离间孔隙水压力差距幅度为23.1%和34.6%，即全砂断面堤防模型孔隙水压力分布受埋深距离影响较小。分析表明，全砂断面由于土体较单一、黏聚力为零的特点，不同深度处孔隙水压力受土体性质影响较小，因而各埋深处测压管孔隙水压力变化幅度亦较小。

图9 测压管中孔隙水压力变化曲线(土质影响)

4.2 土压力

图10为两种不同水位下各组压力计所测土压力变化特征。从图10中可看出，土压力整体呈先增长至稳定后减小的态势变化，水位56.5 m下最大土压力可达7.03 kPa，相比初始测点土压力增长70.6%，而蓄水位增大至57.5 m后，土压力增长幅度可达3.34倍，水位愈高，土压力变化幅度愈大；当堤防模型处于长期高水位运营下时，堤防内部土体渗流趋于稳定，土压力保持相对稳定状态，当第5.3天开始水位下降后，水位56.5 m工况中随机出现土压力快速回落，而水位57.5 m工况下土压力下降在水位下降后第6.2天，即水位愈高，土压力回落期相对较滞后。笔者认为，水位回落期，总压力快速减小，而堤防模型内部土体渗流作用在高水位下已逐渐蔓延至背水侧，水位愈高工况下降时，渗流作用对土体孔隙水压力影响愈大，进而则影响土压力变化的时间节点相对更滞后。

图10 不同水位下各组压力计所测土压力变化特征

5 结 论

1) 研究了高水位蓄能下堤防边坡受水流冲蚀影响，坡面均有沉降变形，最大降低幅度达1.8%，坡脚末端有一定上涨，增长幅度约0.07%；多砂断面堤防沉降变形受存在一定黏聚力影响，沉降变形相比全砂断面堤防要小，最大降低幅度为0.6%。

2) 分析了水位骤降期下多砂断面堤防模型地形有涨有降，最大高程为-53.6 m，全砂断面堤防模型均为沉降变形，最大下降幅度达0.5%；水位愈高，地形沉降变形愈受影响，受孔隙水压差影响，水位57.5 m骤降过程最大降低幅度达9.2%。

3) 获得了堤防模型土体孔隙水压力与测管距迎水坡的距离为负相关关系，但与测压管埋深位置为正相关，第3天时位置为40、60和80 cm的测压管孔隙水压力值相比距离20 cm下分别降低72.6%、76.6%和97.7%，而埋深距离30、50 cm的测管孔隙水压力相比埋深10 cm下分别增大2.1倍和3.85倍；水位增大，相同位置处测压管中孔隙水压力增大；全砂断面堤防模型孔隙水压力分布受埋深距离影响较小。

4) 研究了堤防模型中土压力整体呈先增长至稳定后减小的态势，水位56.5 m下最大土压力可达7.03 kPa，水位愈高，土压力变化幅度愈大，水位57.5 m时土压力增长幅度可达3.34倍，但水位愈大，土压力回落期相对较滞后。