某临江防洪古城墙的渗流安全性态探讨

邱莉婷，齐翠阁，俞扬峰

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.河南省石漫滩水库管理局，河南 舞钢 462500）

0 引言

我国夯土古城墙历史悠久，作为不可再生的文化资源，其预防性保护工作已得到日益重视。目前，国内已有学者开展了关于夯土古城墙的安全性态研究工作。敖迎阳［1］将平遥古城墙裂缝分为外包砖砌体结构裂缝和夯土体裂缝，进行了裂缝成因分析及有限元计算，对裂缝处理方式及界限给出了建议。徐华［2］通过对平遥古城墙进行病害现状调查和有限元计算制定了城墙结构的健康监测初步方案。杨国兴等［3］进行了夯土类平遥古城墙稳定主要因素分析和定量数值计算，建立了新、旧城墙稳定性的半定量化的判定标准和分类原则。张立乾等［4］对平遥古城墙进行了重力作用、重力和地震叠加、降雨导致的浸水软化等工况下的城墙稳定性分析，指出城墙防水、防渗是确保稳定的关键。张柯等［5］研究了外包墙潜在破坏面对西安明城墙的影响，指出外包墙的破坏形态和砂浆强度、外包墙与内芯土之间的摩擦系数是西安明城墙变形破坏的关键因素。屈华楠［6］针对夯土城墙包砖与否、包砖与夯土建造时间差异以及受力状态的不同进行了城墙结构性病害分析，并以西安城墙为例，采用强度折减系数法探讨了城墙结构的稳定灾变机理。王玉兰［7］针对干旱区夯土城墙环境特点和病害特征，对其城墙破坏模式、破坏判据、残损及健康状态预判等进行了研究。周远强［8］对西部某古城墙砖土结构做了劣化稳定性分析，指出相对于城墙砌体材料劣化，夯土材料劣化对城墙的损害更大。张浩扬等［9］以河北万全右卫城为研究对象，结合试验和数值计算分析了土砖结构劣化过程中城墙的整体稳定性，提出城墙保护工作需综合外包砖墙修复和降排水措施。周长东等［10］通过考虑墙体材料的渗透系数、吸湿曲线和初始孔隙率，模拟了不同降雨历时和降雨强度工况下故宫城墙的安全性态。沈旸等［11］从基础形式、夯层厚度与构造、铺设植物枝条加筋等方面揭示了夯土城墙的材料与构造特点。由上可知，目前针对夯土类古城墙的安全性态研究成果已较为丰富，但研究对象主要集中在北方干旱地区，而地处雨量丰沛南方地区的夯土类古城墙，在服役期间常遭遇台风、持续强降雨等工况，其安全性态也亟需予以关注。

某临江夯土包砖古城墙工程位于浙江省临海市，具有军事防御与防洪双重功能［12］，防洪标准为 50 年一遇。城墙营建利用山形水势，城墙西段、南段临江，北段沿北固山的山脊而建。建筑构造含主城门、城墙、墩台（马面）、空心敌台、城楼、捍城等。城墙内部为内夯土，外表包一层砖石，墙顶面铺设石板。城墙现状实测高度距地面 5～6.8 m 不等（至城墙顶面石板），墙宽约同墙高，其中东南城墙相对较低，西北侧较高。城墙顶面净宽一般在 3.2 m 以内，最窄处可有 2.4 m，下部宽度可有 5～8 m 不等。剖面下大上小，总体呈梯形。城墙整体保存较完整，但局部位置仍存在较多病害，如开裂，外鼓，墙顶石板变形错动，排水不畅引起下渗，砖石砌体松散、内部浆料流失，城砖风化碎裂，城门洞拱券渗水等。同时，临海市几乎每年夏天都面临洪灾，城墙服役期间屡遭受台风、降雨侵袭，直接影响城墙结构的稳定性。2019 年受台风“利奇马”强降雨影响，城墙局部坍塌，出现长约 5 m 的缺口，且墙体多处出现管涌现象。本文基于该临江夯土包砖城墙现状及实际运行工况，选择其中典型城墙结构形式进行渗流安全复核，研究墙体在经历洪水时是否存在隐患，为具有防洪功能的夯土古城墙维修加固提供技术支持。

1 渗流稳定分析

计算所选典型城墙结构为瓮城城墙（见图 1），其相对于普通城墙更陡，整体保存状态较差，内夯土的土质及密实度相对较差，局部有裂隙、渗水、植物根系生长；包边砖石保存质量一般。根据城墙工程实际情况与特点，建立城墙（含内夯土与包边砖石）和地基的有限元模型，进行城墙渗流及渗透稳定计算。采用非饱和渗流有限元法，计算在经历高洪水位和暴雨耦合工况时的渗流性态，以及背水侧水头、渗透坡降、渗流等水力要素；在此基础上，开展材料参数、洪水位的敏感性分析，进而分析渗流破坏的原因和可能产生的危害。

图1 夯土古城墙标准结构形式横断面图（单位：mm）

1.1 计算模型

1）高程及坐标说明。取城墙剖面底部中心点为坐标原点，向城内侧延伸方向为x轴正方向；垂直城墙剖面方向为y方向；竖直向上方向为z轴正方向。

2）渗流计算的模型范围。模型上游边界（临河侧）截取至城墙中心线上游约 35.00 m（x=-35.00 m），下游边界（城内侧）至城墙中心线下游约 35.00 m（x=35.00 m）。模型底边界截取至地面线以下 15 m 深处（相对不透水层），此处高程记为 -15.00 m。

3）渗流计算的边界条件。底部截取边界为不透水边界；已知水头边界包括城墙段上下游水位线以下的地基、包边砖石、河道；流量边界（降雨入渗）为城墙外表面及地面，其余为出渗边界。

4）计算工况。根据 GB 50286-2013《堤防工程设计规范》规定，“渗流计算宜根据实际情况考虑不稳定渗流或稳定渗流情况”。城墙作为堤防工程挡水，主要受台风影响，季节性强，挡水时段内难以形成稳定渗流的浸润线。结合工程实际，计算经历高洪水位（洪水过程线见图 2）+暴雨耦合下的非稳定渗流，模拟分析高洪水位下城墙全过程渗流稳定性。计算工况如表 1 所示，洪水及暴雨过程如表 2 所示。

图2 洪水过程线

表1 计算工况

表2 “利奇马”洪水计算时段

5）计算参数与敏感性分析。根据工程地质报告及相关图纸，参照类似工程，依据 GB 50286-2013《堤防工程设计规范》确定模型的材料分区与计算参数。材料分区如图 3 所示，计算参数如表 3 所示。

图3 材料分区图示意图

表3 模型计算参数

鉴于各城墙段内夯土密实程度不同、包边砖石的保存状况差异较大（局部砖石风化严重，砌体松散，内部浆料流失）。在高洪水位工况（G）下开展内夯土材料的敏感性分析，同时结合包边砖石作为防渗体失效与否进行渗流稳定分析，具体敏感性分析情况如表 4 所示。

表4 敏感性分析工况

6）有限元模型。断面上主要包括包边砖石、内夯土、地基等分区，采用控制断面超单元自动剖分技术，根据需要对上述计算区域切取控制剖面，并据此形成超单元。加密细分后形成有限单元网格，生成的有限元模型结点总数为 4 102，单元总数为 2 249。有限元网格如图 4 所示。

图4 城墙有限元网格图

1.2 渗流稳定计算结果

1.2.1 渗流场分布

1）包边砖石防渗作用失效。这里给出 G-2 工况下部分典型时段的渗流位势分布（见图 5～图 7）。可知，各敏感性分析情况下，随着上游洪水位的升高，城墙内部浸润线不断升高。当上游洪水升至最高水位时，城墙内部存在最大渗透坡降；随着洪水的消退，内夯土内的浸润线进一步扩展，在背水坡形成出渗；当洪水降落至最低点，内部渗透较小时，内夯土内孔隙水下降较慢，在临水坡形成较大渗透坡降。

图5 G-2 工况第四时段末位势分布图（洪水涨至最高）

图6 G-2 工况第六时段末位势分布图

图7 G-2 工况第八时段末位势分布图（洪水降落至最低）

2）包边砖石防渗作用良好。这里给出 G-5 工况部分时段的渗流位势分布（见图 8、图 9）。可知，各敏感性分析情况下，随着上游洪水位的升高，城墙内部浸润线不断升高，浸润线在包边砖石处存在陡降，水头损失主要由包边砖石承担，城墙内夯土浸润线较低。随着洪水过程的消退，内夯土内的浸润线也随之下降，而包边砖石内部浸润线下降缓慢。

图8 G-5 工况第四时段末位势分布图（洪水涨至最高）

图9 G-8 工况第八时段末位势分布图（洪水降落至最低）

1.2.2 渗透坡降及暂态饱和区分布

最大渗透坡降皆出现在第四时段，即洪水升至最高的时段；当水位降至最低点时，存在最大临水坡降；当渗透系数较小（G-1 工况），会在下游坡出逸，且背水坡渗透坡降大于允许渗透坡降。允许渗透坡降考虑内夯土性质，参照相关工程进行类比。暂态饱和区分别取第四时段（洪水位升至最高）及第八时段（洪水位降至最低）范围，以数字计，表示从表层向内大概距离。高洪水位（G）工况全过程渗流计算结果如表 5 所示。

表5 高洪水位（G）工况渗流计算结果

2 暴雨工况敏感性分析

2.1 计算工况

根据 GB 50286-2013《堤防工程设计规范》，多雨地区的土堤应根据内夯土的渗透和堤坡防护条件，核算长期降雨时堤坡的抗滑稳定性。考虑到 2016 年南门瓮城墙体在暴雨过后发生坍塌事故，本文核算不同暴雨强度下城墙的暂态饱和区。

暴雨敏感性分析计算基于水位稳定且包边砖石防渗作用失效的情况下，分别计算不同渗透系数的内夯土在不同暴雨强度影响下典型城墙的最大暂态饱和区。其中地下水位取地表面以下 5 m 处，高程计为 -5.00 m；上游稳定水位取河道水位，取地表面以下 4 m 处，高程计为 -4.00 m。敏感性分析具体计算工况如表 6 所示。其中，雨强和暴雨历时根据中国暴雨标准量定级别，分别取暴雨等级为中国暴雨黄色预警（6 h 降雨量达 50 mm）、中国暴雨橙色预警（3 h 降雨量达 50 mm）、中国暴雨红色预警（3 h 降雨量达 100 mm）的情况，相应雨强分别为2.31×10-6m/s、4.63×10-6m/s、9.26×10-6m/s。

表6 暴雨工况敏感性分析

2.2 敏感性结果分析

在相同暴雨强度影响下历经相应时间，渗透系数较大时，该城墙段内夯土中将形成全饱和；渗透系数越小即内夯土越密实，该城墙段暂态饱和区面积越小。当内夯土渗透系数相同时，暴雨强度越大，该城墙段暂态饱和区面积越大。暂态饱和区范围以数字计，表示从表层向内大概距离。主要成果整理如表 7 及图 10～图 12 所示。

图10 工况 3 下暂态饱和区分布图

图11 工况 9 下暂态饱和区分布图

图12 工况 11 下暂态饱和区分布图

表7 暴雨工况敏感性分析计算结果

3 结论

瓮城城墙段，现状整体保存较差，夯土密实度相对较差，包边砖石质量一般。基于文中拟定工况与参数下的敏感性分析可知，该类型城墙渗流安全性不能满足要求，具体结论如下。

1）当填土结构较为松散时，夯土自身稳定性较差，在暴雨及洪水工况下，易对城墙结构整体安全产生不利影响。暴雨工况敏感性分析表明，城墙暂态饱和区受内夯土渗透系数及暴雨强度影响均较大。运行维护工作应保证内部填土夯实质量。

2）当填土结构松散而砌石结构完整时，其渗流安全稳定性皆有较大改善。因而，维修加固过程应注意提升城墙边坡砌石质量。

3）当顶部防渗失效，降雨大量入渗，易导致墙顶中部沉陷，两边砌石体承受较大的压力将直接影响边坡稳定。运行维护过程中应保证城墙顶及边坡的防渗性能。Q