某深厚透水层堤防减压井三维有限元分析应用

陈次葵

（湖南建工集团有限公司，湖南 长沙 410000）

引 言

洞庭湖地区堤防工程广泛存在着深厚透水层基础，这为堤防工程的防渗设计带来困难。堤防工程的防渗措施主要分为垂直防渗和水平防渗[1]。对于基础中透水层厚度不大，可采用垂直防渗墙截断透水层的方式；对于堤防基础中透水层深度过大，采用防渗墙无法有效截断强透水层，而悬挂式防渗墙的防渗效果有限，通常采用堤后水平盖重或者减压井的方式[2]，但是采用盖重往往涉及征地和移民安置，同时工程量巨大，经济性较差。减压井不会占用过多的土地，工程量较小，经济性较好，应用较为广泛，但是减压井的设计和计算较为困难，减压井效果的评价以往采用“以沟代井”进行二维替代计算[3～4]，至于减压井的出水量，以往采用的经验公式计算[5]。本文对减压井进行了三维有限元分析，重点对减压井的防渗效果和单个减压井的出水量进行了应用研究，可为类似堤防设计提供参考。

1 计算条件

洞庭湖区某堤防基础属于深厚透水层基础，堤顶高程为45.73 m，堤顶宽度为7.2 m，设计洪水位为43.65 m，粉细砂出现在33 m 高程，河床中砂砾石揭露，28.90 m 高程以下均为砂砾石，堤后地面高程位于35 m左右，历年高水位时，均会出现管涌险情，断面情况见图1 和表1。单从堤基渗透稳定考虑，仅考虑减压井堤防渗透稳定即可满足要求，但减压井并不能切断堤身的渗漏通道，故采取防渗墙进行堤身防渗加固，采取减压井进行堤基渗透稳定加固。

表1 有限元计算材料表

图1 计算断面基本情况图

为了了解不同间距情况下，减压井的效果及出水量，拟定4 个计算方案：方案1 减压井间距为20 m；方案2 减压井间距为40 m；方案3 减压井间距为80 m；方案4 减压井间距为160 m，计算模型和计算方案示意图见图2 和图3。

图2 三维有限元计算模型图

图3 不同计算方案示意图

2 计算结果及分析

图4～图6 给出了堤防总水头云图和流速矢量图。减压井通过滤水管将来自上游渗透水流直接导入井内，显著改善了堤身和堤基的总水头分布，避免单一地分布在相对不透水层，从而降低相对不透水层的渗透坡降，以达到保护堤基渗透稳定的目的。

图4 减压井断面总水头分布云图（单位：m）

图5 减压井断面流速矢量图

图6 不同减压井间距情况下总水头云图（单位：m）

表2 给出了不同减压井间距情况下单个减压井的出水量。由表可知，当减压井间距越小，单个减压井的出水量越小。一般来说，市面上可拆卸Φ60 减压井的设计出水量为18 L/s，所以减压井的间距不宜过大，不宜超过30 m，过大的间距，会导致局部水体无法有效排走，不利于减压井和堤基的稳定。

表2 不同减压井间距情况下单个减压井的出水量

3 结 语

本文利用三维渗流有限元对某段堤防进行了计算分析，重点对堤后减压井的三维渗流计算进行了分析，得到结论如下：

1）减压井的间距和单个减压井的出水量成正比，间距越大，单个井出水量越大；

2）减压井的间距不宜超过30 m，过大的间距，会导致局部水体无法有效排走，不利于减压井和堤基的稳定。