滨江城市堤防工程渗透特性分析

摘 要：针对滨江城市的堤防工程安全检测问题，本文提出了一种渗透特性的分析方法。选取了安庆市作为长江沿江城市的代表，以安庆市的滨江大道堤防工程为具体研究案例。综合考虑渗流水流速、渗流水流量、土质渗透系数等多个参数，建立了堤防工程渗透特性的计算模型。结合MATLAB和有限元软件，构建了安庆市滨江大道堤防工程的截面图。给出了黏土的土基质吸附力变化曲线和浸润线下堤防工程承受的水力变化，据此进行了渗透特性的计算和分析，给出了滨江大道堤防工程处在安全等级的结论。

关键词：滨江城市；堤防工程；渗透特性

中图分类号：TV 87 文献标志码：A

随着长江经济带发展规划落实，滨江城市的沿江道路和生态环境保护建设与城市防洪工程的联系越来越密切[1]。如何在确保城市防洪安全的前提下，建设城市沿江道路、保护生态环境，成为水利工程领域的一项重要课题[2]。长江是我国最长的河流，流域内水系覆盖面积大，滨江城市众多。从城市发展和安全需要的角度出发，长江沿线的滨江城市大多修有堤防工程。但是，这些沿江而建的地方工程，受地理等因素限制，防洪标准一般不高且现有情况较差。自1998年大洪水以后，长江流域内滨江城市也没有进行普遍意义上的统一的堤防工程建设。从现有的情况来看，全流域内滨江城市的堤防工程普遍以54型防洪标准为主，还有进一步提升的空间[3]。针对这种情况，本文结合安庆市滨江大道堤防工程进行渗透特性分析，以期更好地提升滨江城市的堤防工程建设质量。

1 滨江城市堤防工程案例分析

1.1 滨江城市堤防现状

为了满足滨江的城市特征，本文选择安庆市作为代表。从地理位置上来看，安庆市属于安徽省的地级市，为安徽省、湖北省、江西省三省交汇的要冲。安庆市毗邻长江，在长江以北的皖河与长江交汇处。因此，安庆市是非常典型的滨江城市。为了防御长江和皖河的水患，安庆市建立了完备的堤防工程。

安庆市的堤防工程主要分为三段：第一段，安庆江堤堤防工程；第二段，广济江堤堤防工程；第三段，梅林堤堤防工程。其中，第一段堤防工程全长18.6km，建设等级为1级堤防级别；第二段堤防工程全长24.8km，建设等级为2级堤防工程；第三段堤防工程全长6.3km，建设等级为2级堤防工程。

从地理位置上来看，安庆市的第一段堤防工程从西向东，起于狮子山、止于幕旗山。第一段堤防工程的主体结构为防洪墙结构，在土质堤坝的内部嵌入大量的钢筋，以提升堤坝的强度。安庆市的第二段堤防工程以土质结构为主，堤坝内部嵌入钢筋较少。安庆市的第三段堤防工程也以土质结构为主，堤坝内部嵌入钢筋较少或没有钢筋。

1.2 滨江大道堤防工程概况

为了满足城市发展的需要，安庆市在原有三段堤防工程的基础上，又兴建了滨江大道堤防工程。这一堤防工程以保护滨江大道为主要目标。因为滨江大道沿着长江修建，并且贯穿了安庆市区。所以滨江大道的堤防工程，也是沿江而建，横贯安庆全程。实际上，滨江大道及其堤防工程是作为整体化系统完成建设的。因此在建设过程中，除了最基本的道路施工、管线排布，还配置了污水处理和排水处理。为了更好地实现堤防工程的防汛任务、提升滨江大道的安全性，还配置了减压井。为了便于正常的车辆行驶、巩固堤坝，滨江大道及堤防工程中还包括了照明配置、绿化配置。

2 滨江城市堤防工程渗流计算模型

2.1 计算与仿真流程

滨江城市堤防工程长时间受到降水冲击、基土沉降、自然风化等因素的影响，面临的最大的问题就是工程主体出现渗漏、渗流问题的破坏。

因此，本文结合MATLAB等工具，针对安庆市滨江大道堤防工程进行渗流问题的仿真分析。渗流问题的仿真过程包括计算和仿真2个部分，具体的流程如图1所示。

图1中左侧的4个步骤是根据堤防工程实际数据进行计算的流程。右侧4个步骤是仿真环境下进行的处理流程。由此可见，左右两侧计算和仿真流程之间互相交流，最终得到渗流问题的分析结果。

2.2 渗流计算模型

针对滨江城市堤防工程可能发生的渗漏渗流问题，结合仿真软件的仿真处理，是一种节约成本、处理高效的方法。但是，这个仿真处理的前提必须建立在对渗流问题的准确计算的基础上，这就需要建立对应的数学模型。堤防工程出现渗流的原因是多方面的，也包括非常多的影响因素。为了简化渗漏渗流的数学处理，需要对实际问题进行抽象，进而得到可以量化的、数据可得的数学模型。本文先给出第一计算模型。

v代表滨江城市堤防工程发生渗流时的渗流水水速；K代表滨江城市堤防工程发生渗流时基土条件施加影响的影响因子，是一个无量纲单位；H代表滨江城市堤防工程发生渗流时基土条件施加影响所造成的水头损失；L代表滨江城市堤防工程发生渗流时的渗流长度；J代表江城市堤防工程发生渗流时基土条件施加影响所造成的水力梯度。那么就有，v=K·H/L，v=K·J。

渗流问题的第一计算模型可以进一步改写为第二计算模型。

v代表滨江城市堤防工程发生渗流时的渗流水水速；Q代表滨江城市堤防工程发生渗流时渗流水的流量；A代表滨江城市堤防工程发生渗流时渗流水水体的截面积；K代表滨江城市堤防工程发生渗流时基土条件施加影响的影响因子，是一个无量纲单位；J代表滨江城市堤防工程发生渗流时基土条件施加影响所造成的水力梯度。那么就有，v=Q/A，v=K·J。

3 滨江城市堤防工程渗透特性分析

在前面的研究工作中，对滨江城市堤防工程进行了总体分析。进一步，以安庆市为具体研究对象，对安庆市防洪工程和滨江大道堤防工程进行概述。针对安庆市滨江大道堤防工程的安全性问题展开渗流特性分析。在这一过程中，建立了渗流模型，将渗流水流速、流量、渗流系数等参数统一在一个模型下。在接下来的工作中，将通过仿真测试对滨江大道堤防工程的渗流特性进行量化分析。

安庆老干道长5km，沿江道路宽约25m，已进行了黑化改造。新城区和郊区的沿江道路主要是利用安广江堤堤顶道路，道路路面宽7m，并且破损严重。与江堤相交的道路仅有1条连通，其余均为断头路，无法发挥沿江路区域性主干路的功能，不能满足当前交通需要，严重制约区域经济的发展。

安庆市的堤防工程包括护坡处理、填塘盖重、减压井等元素，属于综合性堤防较完备的工程。其中，以第一段堤防工程安广江堤为例，其整个护坡长度达到41km，并配套使用了石块堆砌和草本种植的综合防护方案。第三段堤防工程梅林堤的护坡长度较短，只有6.3km，但也综合了石块护坡和草护坡的形式，护坡效果更好。在第一段堤防工程中，进行填塘盖重处理的长度超过35km；在第三段堤防工程中，进行填塘盖重处理的长度几乎覆盖了整个堤坝长度。减压井在第一段堤防工程中广泛设置，总数接近150口，各减压井之间的间距基本相同。

首先，借助MATLAB和有限元分析软件，建立滨江大道堤防工程的截面模型，如图2所示。

图2中，含有大量的栅格单元，不同栅格分别代表了堤防材质的不同（砂土、黏土、中砂）。其中，黏土成分因黏性较大，具有一定的土基质吸附力，有助于提升水力工程的整体强度。滨江大道堤防工程中黏土的土基质吸附力随着渗流导致的含水量饱和度变化曲线如图3所示。

从图3中的变化曲线可以看出，在渗流不存在或发生较微弱的情况下，黏土的基质吸附力具有较高的数值。但随着渗流发生，黏土的基质吸附力出现持续下降，并且在渗流发生初期下降速度较快，其后呈现缓慢下降的趋势。可见，渗流对滨江大道的堤防工程强度具有较严重的破坏作用。

在渗流模型中渗透系数是参与运算的重要参数。因此，首先对滨江大道堤防工程渗透系数的截面分布进行测算和绘制，结果如图4所示。

图4中存在1条因水平面造成的浸润线，这条线以下的堤防工程都时刻受到水力作用。这种持续的作用以及沿截面的分布如图5所示。

根据上述数据对安庆市滨江大道堤防工程的渗流情况进行计算。按照上游边界取至长江深泓处、下游边界取至距堤内脚约1000m～1500m处、顶部边界为自由面的边界条件；水位条件为上游按长江设计洪水位，下游按各断面堤内地面最低高程的水位条件，施工期水位取设计枯水位4.30m。针对堤防现状，按道路施工期以及运行期2种典型工况条件进行渗流计算和分析。结果表明，非减压井段道路改建工程实施后对堤防渗透稳定性没有影响。减压井段3个断面计算结果显示，道路改建工程实施并恢复重建减压井后对堤防渗透稳定基本没有影响，满足渗透稳定要求。

根据渗流情况，可以进一步得到滨江大道堤防工程的安全判定结果。1）工程施工前的天然状态下，堤防的堤坡各工况下的抗滑安全系数满足要求；临江岸坡抗滑满足要求。2）工程建成后，堤上段的2个断面背水坡设计水位工况下的抗滑安全系数分别为1.31和1.46，不能满足堤防工程设计规范要求的1.50，其余工况的抗滑安全系均满足规范要求。3）为了保证堤防抗滑稳定的要求，设计单位对路基采取了水泥搅拌桩加固处理措施，经核算，2个断面背水坡在设计水位工况下的抗滑安全系数均大于1.5，满足堤防设计规范要求。4）路基填筑施工期，对原防洪堤采取台阶式开挖处理，综合开挖坡比1∶3.0，计算成果表明，防洪堤施工期开挖边坡的抗滑安全系数均满足要求。5）工程建成投入运行后，临江岸坡的抗滑安全系数与工程前相同，说明沿江道路的建设运行对岸坡的抗滑稳定性没有影响。

4 结语

本文以安庆市作为滨江城市的代表，分析了其堤防工程的渗流特性并且进行测试，得到以下3个结论。第一，滨江城市道路建设要与城市防洪工程提升相结合，充分利用现有堤防工程。滨江大道的建设与堤防升级加固建设联系密切。为避免重复建设，应集中资金办大事，协调沿江道路建设和城市防洪工程建设同步进行。这样，提高了城市防洪标准，在保证滨江道路城市主干道功能的同时，可减少建设用地，为城市发展空间创造良好的交通条件和景观条件。第二，当规划滨江道路时，要根据河道走向、堤防形态采取相应的道路形式，例如堤路合一型、堤路分离型等。第三，要与长江生态环境治理工程有机结合，在道路建设的同时，对沿江生态环境进行治理提升，使城市滨江带成为安全路畅、岸美水清的风景线。

参考文献

[1]王云峰，李杨红.有限元分析法在罗定市城区堤防工程非稳定渗流计算中的应用[J].广东水利电力职业技术学院学报，2023，31（1）：45-48.

[2]张秀勇，花剑岚，杨洪祥.基于可靠度的黄河下游堤防工程渗流稳定分析[J].河海大学学报（自然科学版），2021，39（5）：536-539.

[3]赵红红，邱乾勇，王峰，等.水位升降条件下后张堤堤防非稳定渗流分析[J].人民黄河，2024，35（11）：11-13，35.