Autobank在堤防渗流稳定分析中的应用

王伟，宋五朋

（1.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008；2.河南省特殊岩土环境控制工程技术中心，河南 郑州 450008）

0 引言

洪涝灾害是比较常见的一种自然灾害，为了抵御洪涝灾害，就需要通过在河道上修筑堤防将大量的洪水约束在河道内，防止对人民的生命、财产造成损害。堤防修建后，由于填堤土体的透水性及不均一性，在长时间的洪水影响下，堤防可能出现渗漏危害，因此需要进行渗流稳定分析，根据分析成果对堤防进行防护处理。文章以固始县史灌河一段水毁堤防为例，采用《AutoBank7 水工结构分析系统》对堤防进行渗透稳定计算，通过计算成果，为堤防防渗加固措施的合理选择提供参考。

1 工程地质概况

1.1 工程概况

该段堤防位于史灌河右岸，2020年7月，史灌河流域连遭多轮强降雨，该段堤防堤身出现贯穿性渗流，最大流量约5 m3/s，随后堤顶塌陷，背河坑塘发生管涌，涌水量约1 m3/s。险情发生后，现场进行了紧急处置，拆除民房对堤顶塌陷坑进行了回填，对坑塘管涌修筑了反滤围井，并于堤防临水坡淤砂堵漏，淤砂平台宽5～10 m，外边坡约1：1.50。初步分析堤防部分土体在原生产堤基础上逐步加固而成，堤防填筑土料不均一，碾压或夯实不充分；此外该段堤防群众多在河堤上居住，长期的生产、生活行为对堤防也造成一定破坏和影响。

1.2 地形地貌

场区属冲积平原地貌，微地貌属史灌河河谷地貌，地势平坦，略有起伏。此段河堤高程31.82～32.27 m，堤高7 m左右，堤顶（含庄台）宽22～32 m，堤内沿堤防走向分布较多坑塘，坑塘深度一般1.50～3.00 m，堤内地面高程一般24.78～25.94 m，堤外地面高程一般20.43～26.67 m。汛期高水位时，该段岸坡迎流顶冲。

1.3 地层岩性

堤身填土主要为原堤身填土及抢险期间加固堤身填土，原堤身填土主要成分为中、重粉质壤土，加固堤身土主要成分为细砂；堤基地质结构属土岩双层结构，上部属粘砂多层结构，地层岩性主要为第四系全新统重粉质壤土、细砂、淤泥质重粉质壤土，第四系上更新统粉质粘土、中壤土、中细砂及新近系凤凰镇组粘土岩。

2 水文地质条件

场区地下水类型为第四系松散层孔隙水，主要赋存于下部砂层中，勘察期间地下水水位高程一般22.00～22.50 m 左右。场区地下水属入渗～径流开采型，即地下水主要接受大气降水入渗、侧向径流、灌溉及地表水入渗补给，排泄方式主要为人工开采及侧向径流。根据工程类比及试验资料，重粉质壤土一般具弱透水性，细砂、中细砂一般具中等透水性，淤泥质重粉质壤土、中壤土具弱～中等透水性，粉质粘土、粘土岩具微～极微透水性。

3 堤防渗流稳定分析

3.1 典型断面选取

断面选取原则：依据堤下各种土层组合，相同土层组合按照工程最不利的原则选取典型断面。结合堤防地质资料情况和堤防设计条件，选取该段堤防0+170断面进行渗流稳定分析。

3.2 计算工况及参数

3.2.1 计算工况

计算工况：临水侧为设计洪水位，水位高程30 m，背水侧无水。

3.2.2 计算参数

典型断面各土层渗流稳定计算指标见表1。

表1 典型断面各土层渗流稳定计算指标表

3.3 计算方法和结果

采用河海大学编制的《AutoBank7 水工结构分析系统》进行堤防的渗透稳定计算，该软件是目前比较常用的渗流稳定分析软件，内部采用有限元技术，可进行详细的分析计算，结果较为准确可靠。

AutoBank软件基本原理为达西定律，基本方程为：

式中：x、y 为平面坐标，kx，ky为x、y 方向的渗透系数，φ=φ（x，y）为待求水头势函数。

水头φ满足以下边界条件：①上游边界上水头已知φ=φn；②浸润线上水头和位置高程相等φ=z；③在某边界上渗流量q已知。

式中：ly，ly为边界表面向外法线在x，y方向的余弦。

将渗流场用有限元离散，假定单元渗流场的水头势函数φ为多项式，由微分方程及边界条件

确定问题的变分形式，可导得出线性方程组：

式中：［H］为渗透矩阵；｛φ｝为渗流场水头；｛F｝为节点渗流量。

求解以上方程组得到节点水头，据此求得各计算单元的水力比降。

典型断面计算渗流稳定计算结果见表2，结果简图见图1。

图1 堤段（0+170渗流稳定期）图

3.4 成果分析

根据计算成果表2可知，该段堤身及堤基表面渗透比降均大于允许比降，易造成渗透破坏，需采取防渗措施。

表2 渗流稳定计算成果表

4 截渗方案选择及工程布置

4.1 截渗方案选择

堤防截渗一般采取背河侧堤脚压渗、临河侧截渗或压截相结合等措施，其中截渗技术目前国内常用的有：高压喷射灌浆防渗技术、垂直铺塑防渗技术、多钻头小直径深层搅拌桩建造防渗墙技术等。根据以上技术的特点，结合此段堤防地质条件，截渗采用多头小直径深层搅拌桩方案解决堤防渗透稳定问题，该技术具有施工工艺简单、施工速度快、防渗效果好、投资少、使用寿命长、性价比优势明显等特点，近年来在江河、湖泊堤防防渗工程中被广泛采用。

4.2 截渗工程布置

该段堤防加固处理长度175 m，测量桩号0+050～0+225。处理措施及内容主要包括堤身开挖回填、临河侧堤坡防护、修建水泥土截渗墙、背河侧填塘压渗等。

堤身开挖回填主要是将防汛抢险时堤内临时填筑的砖渣等杂物挖除，开挖深度约8 m，底宽约10 m，根据现场地形条件，开挖边坡1 ∶2.00～1 ∶2.50，以把抢险回填的松散体全部挖除为准。堤防回填采用粘性土料，并分层回填压实，为减少新老堤防沉降差，筑堤压实度≥0.92。水泥土截渗墙轴线位于现状堤顶中部，修建截渗墙长175 m，墙高19～20 m。另外，利用施工弃土等对背河侧坑塘进行回填，填塘宽度距堤脚≥30 m，平台顶高程为25.00 m，外边坡为1 ∶2。

图2 险堤段处理横断面图

5 堤防渗流稳定复核

5.1 典型断面选取

此次渗流稳定复核断面与“3 渗流稳定分析”选取断面一致，即堤段0+170断面。

5.2 计算工况及参数

5.2.1 计算工况复核计算工况临水侧为设计洪水位，水位高程30 m，背水侧无水。

5.2.2 计算参数各土层渗流稳定复核计算指标与表1一致，截渗墙孔隙比取0.67，孔隙率取0.40，渗透系数取1.00E-07cm/s。

5.3 计算方法和结果

采用《AutoBank7 水工结构分析系统》进行堤身与堤基的渗透稳定复核计算。渗流稳定复核计算结果见表3，计算结果简图见图3。

表3 渗流稳定复核计算成果表

图3 堤段（右堤0+170渗流稳定期）图

5.4 成果分析

根据计算成果表3可知，该段堤身及堤基表面渗透比降均小于允许比降，堤防截渗起到防渗效果。