嚴(yán) 斌，吳興龍，李樹(shù)巍

(浙江省錢(qián)塘江管理局，浙江 杭州 310016)

1 問(wèn)題的提出

錢(qián)塘江河口地處我國(guó)東南沿海，由于特殊的地理位置和氣候條件，每年夏秋季節(jié)經(jīng)常會(huì)遭受臺(tái)風(fēng)侵襲。錢(qián)塘江杭州灣在最近十幾年內(nèi)修筑了標(biāo)準(zhǔn)海塘，可以抵御設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的風(fēng)暴潮，但由于錢(qián)塘江河口潮差大，在遭遇超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)期間，若天文大潮與臺(tái)風(fēng)增水疊加形成的特高的超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮，就有可能超過(guò)一線海塘高程，出現(xiàn)潮水滿溢，發(fā)生潮災(zāi)，成為當(dāng)?shù)氐闹饕匀粸?zāi)害之一。2007年底，在浙江省人民政府部署下，浙江省水利廳和省防汛辦確定開(kāi)展《錢(qián)塘江北岸海塘應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮研究》項(xiàng)目，進(jìn)行北岸海塘應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮工程措施研究。

本文以北岸海塘為例，選取“9711”北線的風(fēng)暴潮極限狀況進(jìn)行海塘滲流特性分析?！?711”北線風(fēng)暴潮水位過(guò)程線的確定以富春江“9711”臺(tái)風(fēng)期間的過(guò)程流量作為臺(tái)風(fēng)期不利流量，水位條件邊界條件設(shè)計(jì)方案采用2002年最大天文大潮水位過(guò)程線 (相當(dāng)于年最高天文潮多年平均值，杭州灣內(nèi)各站天文潮分別為蘆潮港2.79m，乍浦3.94m，澉浦4.80m，鎮(zhèn)海2.27m)疊加臺(tái)風(fēng)增水。工程區(qū)域“9711”水位過(guò)程線與一般水位 (2%水位)過(guò)程線相比，由于考慮增水等因素，相同時(shí)刻的水位比一般水位偏高，其漲落潮歷時(shí)相同 (見(jiàn)圖1)。

由于風(fēng)暴潮潮水位隨時(shí)間變化，海塘堤壩內(nèi)將形成非穩(wěn)定滲流。在非穩(wěn)定滲流中，滲流自由面隨時(shí)間的變化而變化，滲流場(chǎng)的形狀和邊界條件也較復(fù)雜。利用有限元法求解飽和—非飽和滲流問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已有不少研究成果。如美國(guó)的Neuman提出的有限單元法求解土壩飽和—非飽和滲流場(chǎng)的數(shù)值方法［1］，以及日本赤井浩一用相同理論進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和模型驗(yàn)證［2］，在國(guó)外研究的帶動(dòng)下，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了一些學(xué)者，如吳良驥也對(duì)滲流問(wèn)題開(kāi)展深入研究，且獲得了很多有價(jià)值的成果［3］。而國(guó)內(nèi)對(duì)于錢(qián)塘江兩岸的海塘在超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮下水位驟升驟降工況下滲流形態(tài)的研究較少，為此作者選取典型斜坡式海塘斷面，建立二維滲流有限元數(shù)值模型，對(duì)該斷面在“9711”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過(guò)程進(jìn)行滲流場(chǎng)模擬分析，為以后對(duì)錢(qián)塘江南、北岸兩岸各種斷面型式的海塘在遭遇其他強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等惡劣工況下的滲流形態(tài)研究具有一定的意義。

圖1 “9711”水位過(guò)程線與一般水位過(guò)程線圖

2 有限元模型

2.1 模型的建立

作者應(yīng)用GeoStudio有限元計(jì)算軟件中SEEP模塊對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和一般潮位作用下的非穩(wěn)定滲流過(guò)程進(jìn)行模擬分析。

錢(qián)塘江北岸某段均質(zhì)斜坡海塘塘頂高程8.80m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同)，頂寬7m。本模型模擬“9711”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下一個(gè)漲落潮歷時(shí)海塘土體內(nèi)浸潤(rùn)線的變化，根據(jù)圖1的潮位過(guò)程線，初始漲潮水位為0.20m，最高潮位為7.87m，最低潮位為-1.25m，后坡常水位考慮臺(tái)風(fēng)期降雨影響，取地面高程以下0.50m。因海塘斷面結(jié)構(gòu)材料較多，為減少模型參數(shù)輸入數(shù)據(jù)，也為了減少網(wǎng)格剖分的難度，對(duì)于迎水面透水性較大護(hù)面結(jié)構(gòu)按照全透水考慮，背水坡的一級(jí)斜坡段以及平臺(tái)上細(xì)部結(jié)構(gòu)不再細(xì)分，統(tǒng)一并入塘身填土。本滲流計(jì)算模塊有CAD導(dǎo)入建模功能，但對(duì)CAD內(nèi)圖形要求較高，由于海塘結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，里面線型較多，部分區(qū)域網(wǎng)格需手動(dòng)劃分。整體模型中，海塘計(jì)算斷面被劃分成3個(gè)主要不同的區(qū)域:①塘身吹填土，滲透系數(shù)取4.9×10-3cm/s;②塘身充泥管帶，滲透系數(shù)取4.0×10-3cm/s;③迎水坡拋石滲透系數(shù)取7.0×10-2cm/s。地基土層主要分為3個(gè)地質(zhì)亞層:③-1層為淤泥質(zhì)黏土，灰色，流塑，飽和，高壓縮性，全場(chǎng)分布，層厚0.9～15.7m;③-1層為粉質(zhì)黏土夾粉土，灰色，流塑，飽和，局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層厚1.5～8.1m;③-5層為淤泥質(zhì)黏土，灰色，流塑，飽和，低壓縮性，層厚7.5m。滲流有限元模型見(jiàn)圖3。

圖2 均質(zhì)斜坡海塘結(jié)構(gòu)圖 (為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)) 單位:m

圖3 海塘有限元模型圖

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

非穩(wěn)定滲流計(jì)算假設(shè)在水位上升前已經(jīng)形成穩(wěn)定的滲流場(chǎng)，按照“9711”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)潮型一個(gè)驟升和驟降情況考慮。根據(jù)潮位過(guò)程線，水位上升速度約為1.54m/h，水位下降速度約為1.13m/h。初始外江水位為-1.20m，海塘自由面和等勢(shì)線見(jiàn)圖4。根據(jù)圖5，1～4號(hào)曲線為外江水位上升之后的浸潤(rùn)線，其不同時(shí)刻壩體的瞬態(tài)浸潤(rùn)線位置，代表水位分別為1.61，4.46，7.07，7.87m。5、6、7號(hào)曲線表示外江水位開(kāi)始下降后4個(gè)不同時(shí)刻壩體的瞬態(tài)浸潤(rùn)線位置，代表水位分別為5.89，2.98，0.75m。

圖4 初始自由面和等勢(shì)線圖 單位:kPa

根據(jù)圖5，1～4號(hào)曲線為漲潮過(guò)程，由于潮水達(dá)到最高潮位時(shí)間較短，曲線靠近外江側(cè)，外凹明顯，且線型較陡，靠臨水坡面處浸潤(rùn)線急劇抬高，而距臨水坡較遠(yuǎn)處滲流場(chǎng)無(wú)明顯變化，尤其是海塘中、后部，浸潤(rùn)線有輕微抬高，后坡土體內(nèi)的浸潤(rùn)線基本上為一坡度較緩的斜線。圖5中，5、6、7號(hào)曲線表示外江水位開(kāi)始下降時(shí)的浸潤(rùn)線，臨水面一側(cè)，水位下降之后，曲線起點(diǎn)位置，下探明顯，呈一向下的拋物線型，坡度變緩，臨水坡較遠(yuǎn)處的滲流場(chǎng)由于受略低潮位的穩(wěn)定影響，塘身中間土體達(dá)到飽和，外部水體慢慢滲入海塘后坡，內(nèi)部浸潤(rùn)線會(huì)稍稍向上拱起。海塘后坡位置浸潤(rùn)線下降有一定的滯后，線形基本保持直線不變。圖6和圖7分別為2%高潮位下非穩(wěn)定滲流和穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果，后者浸潤(rùn)線曲線較飽滿，后坡二級(jí)平臺(tái)位置以下浸潤(rùn)線線上各點(diǎn)高程相較于不穩(wěn)定滲流偏高，這是由于高水位的持續(xù)作用下，潮水已經(jīng)滲入后坡大部分土體，呈拋物線型布置。2%潮位下各時(shí)刻非穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線變化規(guī)律與超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)條件下基本相同，海塘迎水側(cè)及附近塘身土體內(nèi)浸潤(rùn)線后者偏高，特別是越靠近外海側(cè)，高差越明顯。圖7為2種不同高潮位工況下相同的漲落潮時(shí)刻的后坡浸潤(rùn)線圖，起點(diǎn)為一級(jí)護(hù)坡坡腳處，浸潤(rùn)線轉(zhuǎn)折點(diǎn)為沖泥管帶和吹填土交界處，沖泥管帶內(nèi)各時(shí)刻浸潤(rùn)線基本重合。起點(diǎn)處2種工況下同一時(shí)刻浸潤(rùn)線高差為0.2～0.5m，海塘后坡部分浸潤(rùn)線隨潮水變化并無(wú)太大改變，說(shuō)明超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)情況下對(duì)后坡滲流影響較小。

圖8為一穩(wěn)定滲流場(chǎng)，基本上為一條折線。在初始水位作用下，外江潮水滲入塘身土體距離較遠(yuǎn)，而且浸潤(rùn)線下降坡度很緩，說(shuō)明在持續(xù)水位的影響下，塘身水位以下的土體飽和度較高。

圖5 各時(shí)刻海塘瞬態(tài)浸潤(rùn)線位置圖(“9711”工況)

圖6 各時(shí)刻海塘瞬態(tài)浸潤(rùn)線位置圖 (2%水位工況)

圖7 各特征時(shí)刻后坡瞬態(tài)浸潤(rùn)線圖(“9711”與2%水位工況) 單位:m

圖8 2%設(shè)計(jì)高潮位穩(wěn)定滲流壓力水頭線圖單位:kPa

綜上所述，在潮水位陡升降的情況下，以0.5個(gè)潮流歷時(shí)為例，當(dāng)漲潮時(shí)，即由平均潮位上升到最高潮位，一般高潮位下浸潤(rùn)線為半拋物線型，達(dá)到較高潮位下為“C”型曲線。在落潮流工況下，迎水坡浸潤(rùn)線下探明顯，大部分為向下開(kāi)口的半拋物線型。而相對(duì)于迎水坡，背水坡土體內(nèi)的浸潤(rùn)線并沒(méi)有前者反映那么強(qiáng)烈，變化幅度不大。

所以，在對(duì)杭州灣潮水位升降情況下斜坡海塘內(nèi)滲流場(chǎng)分布的情況進(jìn)行分析時(shí)，若采用穩(wěn)定滲流分析，海塘內(nèi)部浸潤(rùn)線較高，海塘大部分填土土體飽和，土體整體物理力學(xué)性質(zhì)降低，特別是水位突然降低到低水位，迎水坡很容易引起滑塌，對(duì)海塘迎水坡整體穩(wěn)定不利。而非穩(wěn)定滲流條件下，浸潤(rùn)線以堤軸線為分界線，由于其高潮位持續(xù)時(shí)間較短，迎水坡土體內(nèi)未全部達(dá)到飽和，塘身及其后坡土體均基本未遭潮水侵入，水位驟降時(shí)迎水坡整體穩(wěn)定系數(shù)較前者高。不同工況下后坡土體內(nèi)非穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線基本相同，受漲落潮歷時(shí)影響較小。結(jié)合錢(qián)塘江兩岸海塘主要受潮水影響較大，高潮水位持續(xù)作用時(shí)間較短，應(yīng)采用非穩(wěn)定滲流有限元方法分析海塘滲流情況，可使工程設(shè)計(jì)方案更加符合設(shè)計(jì)工況。以上述工程為例，在不降低海塘整體穩(wěn)定安全系數(shù)的情況下，可以降低塘身迎水坡一、二級(jí)平臺(tái)的高度和長(zhǎng)度，最外側(cè)的拋石潛壩也可以縮小結(jié)構(gòu)斷面。

3 結(jié)語(yǔ)

本文借助于非穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算分析，對(duì)在超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮工況下水位升降時(shí)的均質(zhì)斜坡海塘瞬態(tài)滲流場(chǎng)的模擬進(jìn)行了研究。其結(jié)論如下:

(1)海塘在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和一般高潮位非穩(wěn)定滲流作用下，后坡的浸潤(rùn)線較低，其浸潤(rùn)線受漲落潮歷時(shí)變化較小，2種工況下浸潤(rùn)線基本一致。穩(wěn)定滲流作用下，塘身土體大部分飽和，浸潤(rùn)線較高，計(jì)算結(jié)果偏于保守。所以進(jìn)行海塘設(shè)計(jì)時(shí)，可綜合考慮上述因素，進(jìn)一步優(yōu)化塘身結(jié)構(gòu)，控制工程造價(jià)。

(2)在一個(gè)漲落潮情況下，海塘迎水坡及其附近塘身土體內(nèi)浸潤(rùn)線變化大，特別是迎水坡變化劇烈，不同高潮位2種工況下同一時(shí)刻的浸潤(rùn)線高差相差較大，而背水坡浸潤(rùn)線基本維持在后坡常水位位置。

(3)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)工況下，由于高水位持續(xù)時(shí)間短，其背水坡浸潤(rùn)線與一般高潮位工況相比變化不大，對(duì)背水坡的整體穩(wěn)定影響很小。而對(duì)迎水坡，不同高潮位工況下，其驟降浸潤(rùn)線不同，需分別計(jì)算對(duì)堤坡穩(wěn)定的影響。

［1］龔道勇.三維非穩(wěn)定飽和—非飽和滲流場(chǎng)的有限元分析和應(yīng)用［D］.南京:河海大學(xué)，2002:1-3.

［2］朱岳明，龔道勇.三維飽和—非飽和滲流場(chǎng)求解及其逸出面邊界條件處理［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2003，14(1):67-68.

［3］吳良驥，G.L.Bloomaburg.飽和—非飽和區(qū)中的滲流問(wèn)題的數(shù)值模型［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1985，2(1):1-10.