双侧临水堤防渗流稳定计算分析

谢雅海

(赣州市水利电力勘测设计研究院，江西 赣州 341000)

近70年来，中国达标堤防的长度为21.76万km[1]，作为江、河、湖的挡水建筑物，是抵御洪水的最后屏障，为防洪减灾事业做出了重要贡献。在沿江地区防洪体系中，土堤因其投资省、施工简单、原材料采购运输方便、能适应地基变形和地基应力小等优点得到了广泛的应用，是堤防的采取主要型式。

土堤采用的主要原材料为土，土由碎散土颗粒形成的土骨架和充满其中的气体、液体组成，具有碎散性和三相性的特点。土的碎散性会导致土颗粒在压力下相互移动靠近，因而可以有很大的体应变；土的三相中，水在势差作用下可以流动，流经土颗粒的水流会对土颗粒和土骨架施加力的作用，上述两种原因会导致土的变形、滑坡、渗流和渗透破坏。在中国已建成的土堤中，有不少兴建时间早，防洪标准低，质量较差，在1998年长江特大洪水期间，共发生过数千处险情和几次大溃堤[2]，这都是由于渗流和渗透破坏引起的灾难。因此，在长期与水的相互作用过程中，土堤的稳定至关重要。

在珠江水系三大干流之一—东江流域范围内，近60a降雨径流趋势总体保持平稳[3]，汛期持续时间可以长达半年(4—9月)且降雨量大，城镇地区外江受上游降雨影响，河水急剧上涨，水位较高，易与内河形成较大的水位差，同时，当该地区也进入暴雨时期时，由于多数内河较为窄小，渠道淤积，过流能力较为不足，水位也将在短时间内急剧抬升，分隔外江与内河的土堤在短时间内将经历较大水位差和双侧高水位工况，因而土堤中极易产生较大渗流，引起土堤内流土和管涌等现象，堤防将面临较大的渗流和抗滑稳定问题，存在较大安全隐患和滑坡危险。枯水期降雨径流趋势自20世纪60年代开始—2005年有显著增加。在近10a(2005—2015年)实施防洪供水为主的调度方针后，汛期和枯水期的降雨径流特征均无显著变化。

因此，在汛期，内河和外江的水位差变化较大，堤防内部产生非稳定渗流。在枯水期，内河和外江水位差变化很小，堤防内部产生稳定渗流。设计过程中，需要对上述情况进行渗流和抗滑分析。

1 工程概况

本电排站堤防位于惠州市博罗县园洲镇，属于东江支流—沙河下游以北、东博排洪渠下游右岸的新村涝区，堤防起点为东博排洪渠与福田河交界处，终点为东博排洪渠汇入沙河处，堤长2.81km。堤身为土堤，堤基粉质黏土、黏土、残积土，局部堤基为淤泥质黏土和中砂层，东博排洪渠堤防的防洪标准为20a一遇，堤防级别为4级；主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。现状土堤位置需新建电排站，由于现状土堤建成年代较久，且为镇交通要道，必须进行堤防渗流和抗滑稳定验算。

1.1 地层岩性

根据地勘钻孔资料，在钻探深度范围内地基岩土层分布自上而下为人工填筑土(Qml)、第四系冲积沉积层(Qal)和侏罗系(J)砂岩等。

<1>填筑土：褐黄色，湿，主要为粉粒和黏粒，压实性较好，主要为堤防填筑土，此层层底高程在4.4-5.2m(85国家高程，以下同)，钻孔揭露最大厚度约4.2m。

<2-1>粉质黏土：呈褐黄色、灰白色，饱和，主要为粉粒和黏粒，此层层底程-0.5-3.1m，厚度1.8-5.8m。

<2-2>淤泥质黏土：深灰色、灰黑色，饱和，主要为淤泥质黏性土，含有机腐殖物，具有泥臭味，局部夹有粉细砂，此层层底高程-7.7-2.5m，厚度0.6-7.2m。

<2-3>黏土：灰白色、黄色、褐红色等杂色，湿-饱和，质较纯，切面较光滑，主要矿物成份为高岭土，此层层顶高程在1.0-2.6m，厚度3.5-8.6m。

<3>残坡积土：多为紫红色，主要为泥质粉砂岩风化残坡积而成，含有未完全风化的小砾石，黏着性较好。此层层顶高程在-7.7--0.9m，钻孔揭露厚度2.2-7.2m。

<4-1>强风化泥质粉砂岩：紫红色，湿，裂隙较发育，粉细结构，顶界高程为-10.5--7.2m，钻孔揭露厚度为1.9-5.5m。

<4-2>中风化泥质粉砂岩：紫红色，湿，岩性较硬，层状构造，裂隙较发育，泥铁质胶结，胶结较好，顶界高程为-13.1--10.7m，钻孔揭露厚度为1.7-2.5m。

1.2 堤防工程地质条件

根据实地踏勘、调查及地质钻探结果揭露分析，堤基土表层为填筑土和粉质黏土，下部为淤泥质黏土、黏土、残积土、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。

堤身组成中，填筑土层属中等透水层，粉质黏土、黏土、残积土层属微透水等级，这类堤身土一般不会造成堤基渗漏和渗透破坏，但设计时应复核其渗透稳定。但在部分堤段堤身分布有淤泥质黏土<2-2>，在该土层之上新建水工建筑物容易导致土层剪应力的增加，从而引起堤身失稳，局部土体滑移。建议采用水泥搅拌桩对新建水工建筑物底部地基进行处理，桩底深入残积土层以下1.0m。

根据堤围实际可能存在的工程地质问题，结合下部地质结构，按《堤防工程地质勘察规程》(SL188-2005)[4]中附录C，堤基的地质结构分类为多层结构，堤基的工程地质条件为C类，存在堤基渗漏、渗透破坏和失稳等问题，历史险情普遍，地质条件较差。

2 堤防稳定分析

2.1 计算方法

在一般的土堤渗流分析中，通常将渗流场等同为平面问题进行分析，并由此形成了渗流力学，这其中法国工程师Darcy通过渗流实验，进而提出了非均各向异性二维渗流场，该渗流场能较好的进行堤防渗流稳定检验，其中水头势函数满足以下微分方程：

(1)

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

代入水头φ的边界条件:

1)在上游水头边界上已知：

φ=φn

(2)

2)在逸出边界水头和位置高程相等：

φ=z(1-3)

(3)

3)在某边界上渗流量q已知：

(4)

式中：lx，ly为在边界表面向外法线在x，y为方向的余弦。

利用有限元方法网格化渗流场，设单元渗流场中的水头函数势φ为多项式，由上述方程和边界条件，可得出现线性方程组：

[H]{φ}={F}

(5)

式中：[H]为渗透矩阵；{φ}为渗流场水头；{F}为节点渗流量。

求解方程组可得节点水头，进而求得单元的水力坡降、流速等物理量。求解土堤渗流场的关键一步是确定土堤内浸润线的位置，Autobank软件采取节点流量平衡法，为简便计算，将土质等同为各向同性的特殊情况，利用迭代计算确定自由面位置，也即浸润线位置，算出渗流量，并计算出土堤抗滑稳定系数，由此判别土堤的渗透稳定和抗滑稳定，预测可能发生渗透破坏的具体位置，正确评价土堤的安全性。文章将利用该软件进行土堤渗流稳定分析。

2.2 计算工况

本工程计算工况选取中，临水侧为外江东博排洪渠，背水侧为内河新村排渠。新村涝区围内地势低洼，而汛期外江水位较高，每逢暴雨时，因外江水位顶托，围内涝水无法自排。由于近年来城市化建设不断加快，新村涝区内新村排渠九潭圩镇段断面狭小、渠道淤积、堵塞严重，过流能力严重不足，同时，该段堤防内河侧由于地势起伏大，形成天然洼地，地质条件较差，因此利用Autobank软件对其渗流和抗滑稳定进行模型计算。由《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)[5]，渗流计算水位选取最不利组合情况为：

1)设计工况：临水侧河道水位为设计洪水位，背水侧无水的背水侧堤坡稳定。

2)设计骤降工况：临水侧河道水位6h内从设计水位9.43m降落至最低运行水位4.50m，背水侧无水的临水侧堤坡稳定。

抗滑稳定计算水位选取最不利组合情况为：

1)设计工况：临水侧河道水位为设计洪水位，背水侧无水的背水侧堤坡稳定。

2)设计骤降工况：临水侧河道水位6h内从设计水位9.43m降落至最低运行水位4.50m，背水侧无水的临水侧堤坡稳定。

3)施工期工况：临水侧、背水侧均无水，施工荷载10kN/m2的堤坡稳定。

2.3 渗流稳定计算

2.3.1 计算模型

本次计算主要选取电排站堤防某桩号堤防断面(拟定电排站中心线位置)，计算断面，见图1。堤顶宽6m，堤顶高程9.80m，临水侧堤脚高2.00m，背水侧堤脚高程7.00m，外坡1∶3，内坡1∶2.5。

图1 计算断面

2.3.2 土层参数

土层参数表，见表1。

表1 土层参数表

2.3.3 渗流及渗透稳定计算

根据上述工况及土层各类参数，在CAD中画出典型计算断面，将断面导入Autobank中，设置土层参数及工况水位条件，进行渗流稳定分析计算，现状堤防设计洪水工况渗流结果计算图(水头等值线图)；见图2；现状堤防设计洪水工况渗流结果计算图(渗透坡降等值线图)，见图3；现状堤防设计骤降工况渗流结果计算图(水头等值线图)，见图4；现状堤防设计骤降工况渗流结果计算图(渗透坡降等值线图)，见图5。

1)设计工况：

图2 现状堤防设计洪水工况渗流结果计算图(水头等值线图)

图3 现状堤防设计洪水工况渗流结果计算图(渗透坡降等值线图)

2)设计骤降工况：

图4 现状堤防设计骤降工况渗流结果计算图(水头等值线图)

图5 现状堤防设计骤降工况渗流结果计算图(渗透坡降等值线图)

2.3.4 抗滑稳定验算

1)设计工况：

设计工况背水侧最危险滑面简图，见图6。

图6 设计工况背水侧最危险滑面简图

2)设计骤降工况：

设计骤降工况临水侧、背水侧最危险滑面简图，见图7。

图7 设计骤降工况临水侧、背水侧最危险滑面简图

3)施工期工况：

施工期工况临水侧、背水侧最危险滑面简图，见图8。

2.3.5 计算结论

堤防渗流稳定计算成果表，见表2；堤防抗滑稳定计算成果表，见表3。

表2 堤防渗流稳定计算成果表

表3 堤防抗滑稳定计算成果表

由《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)，4级堤防土堤边坡抗滑稳定安全系数如下：采用瑞典圆弧法计算设计工况、设计骤降工况为1.15，施工期工况为1.05。

根据渗流计算结果可以看出，现状堤防在设计工况和设计骤降工况的逸出点水力坡降均小于允许坡降0.39(淤泥质黏土)，满足渗流稳定要求；现状堤防在设计工况下背水侧抗滑稳定安全系数1.13<规范规定值1.15，不满足规范要求，设计骤降工况和施工期工况大于规范规定值，满足规范要求。

2.3.6 地基处理建议

由上述运算结果得，设计工况下背水侧抗滑稳定系数1.13<1.15，不满足规范要求，因而在该段位置修建泵站、水闸及挡土墙等建筑物时，需对背水侧淤泥质黏土层采取必要的基础处理措施，以满足渗流稳定要求，建议对0m高程以上部分采用6%水泥砂浆换填的处理措施，在建筑、水闸底板及挡墙下部设置桩径0.5m、桩中心距1m的水泥搅拌桩，平均桩长10m，梅花形布置，桩端深入泥质粉砂岩0.5m，并满足地基承载力要求。对于管养房等地面上部建筑，建议采用高强预应力管桩进行地基处理，桩端深入泥质粉砂岩0.5m，位置处于上部建筑承重柱下方，并达到地基承载力要求。

3 结 论

Autobank软件综合利用了达西定律、瑞典圆弧法和有限元法等方法，通过模型能比较好的演算土堤典型断面的堤防稳定情况，得出设计工况下背水侧抗滑稳定系数小于规范要求，现状土堤不满足设计要求，可为本段土堤的基础处理设计方案提供有力的依据，为后续的工程设计提供必要的依据。