趙俊卿

基于水力學法的愛河治理工程堤防滲流穩(wěn)定分析

趙俊卿

（遼寧省鳳城市水利勘測設計院，遼寧鳳城118100）

在中小河流的治理過程中，設計標準普遍偏低，堤防滲流穩(wěn)定是防洪渡汛的重要保障。運用水力學法對愛河治理工程堤防的單位寬度滲流量、浸潤線和逸出點及背水坡滲流出口比降進行計算，結果表明：堤身的滲流比降為0.447，小于允許比降0.50，不會發(fā)生流土破壞；堤基的滲流比降為0.162，小于允許比降0.20，不會發(fā)生管涌破壞?？蔀榈谭涝O計的合理性提供量化依據(jù)。

堤防，滲流分析，水力學法，愛河治理工程

均質土堤滲流分析的主要目的是計算堤坡和堤基的滲流量、確定堤防浸潤線和下游逸出點位置以及堤坡出逸段和下游地基表面的出逸比降。土堤滲流是個復雜的空間問題，1856年，法國工程師提出了著名的達西定律，奠定了滲流理論研究發(fā)展的基礎[1]。1857年，法國學者杜平在達西定律的基礎上，把滲流理論推廣到非均勻漸變滲流[2]。1889年，俄國著名學者H.E茹可夫斯基首先推導了滲流微分方程[3]，針對滲流分析的解析解法開始出現(xiàn)。滲流分析方法主要有試驗法及理論分析方法，理論分析方法又可以歸納為液體力學法和水力學法。水力學法認為滲透系數(shù)K在同一或相近的土料中各向同性,垂直于堤軸線方向的橫斷面形狀和尺寸不變時，除堤坡兩端外，堤防內部滲流為層流,符合達西定律，如果斷面的形狀和地基條件也比較簡單，又可作為漸變滲流來處理，任意過水斷面的水平流速和比降都是相等的,簡化了計算過程，容易求得解析解，滿足中小工程設計需求。許多學者對滲流問題進行研究，多采用數(shù)值模擬的方法[4-6]。對于中小河流來說，本身的水文地質情況不健全、且工程規(guī)模不大，運用以上方法難以得到解析值。本文運用水力學法對愛河治理工程的堤防滲流穩(wěn)定進行分析，并為其堤防設計的合理性提供量化依據(jù)。

1 計算原理[7]

1.1 單位寬度滲流量的計算

透水地基，下游坡無排水設備時，穩(wěn)定滲流可用下式計算：

式中：q為透水地基的堤身單位寬度滲流量[m3/(s·m）]；qD—不透水地基上求得的相同排水形式的均質土堤單位寬度滲流量[m3/ (s·m）]；k0為堤基滲透系數(shù)（m/s）；H1為上游水深(m)；H2為下游水深（m）；h0為下游逸出點高度；m1為上游斜坡坡率；m2為下游斜坡坡率；T為透水地基厚度（m）。

1.2 浸潤線和逸出點的計算

計算透水地基上的均質土堤的浸潤線時，應根據(jù)下游不同的排水形式首先計算特征水深，然后再計算浸潤線。

下游無排水設備時，特征水深的計算：

（1）當k＞k0時

(2)當k≤k0時：

求得特征水深后，無論堤身采用何種排水形式，浸潤線均可按下式計算：

1.3 背水坡滲流出口比降計算

透水地基均質土堤坡面滲流比降可采用下式計算：

2 愛河治理工程滲流穩(wěn)定分析

愛河是鴨綠江較大支流之一，也是丹東市境內最大的一條河流。干流全長181.95 km，流域面積5902 km2。愛河治理工程位置以上流域面積為2600 km2。設計洪水標準根據(jù)《防洪標準》（GB50201-2014)和丹東市水利勘測設計研究院2004年編制的《愛河流域規(guī)劃報告》（修改稿）規(guī)劃標準章節(jié)中確定的防洪標準，確定為十年一遇。綜合《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設計暴雨洪水計算方法》計算結果和上游龍灣水文站設計洪水按面積比法推求的成果，得出十年一遇的洪峰流量Q10%=4244m3/s。設計河道縱比降4.6‰。

工程場地地貌為河床、河漫灘和一級階地，岸邊坡頂及坡腳表面的粉質粘土物理力學性質較差，密實度較低，而河床卵石的強度較高，場地中的粉質粘土滲透變形為流土型，允許水力比降為0.50；卵石的滲透變形為管涌型，允許水力比降為0.20。在粉質粘土與卵石的接觸面易產生接觸沖刷。

2.1 計算條件

愛河治理工程采用蜂巢格網干砌石護坡、基礎，總長65 m，迎水坡坡比1∶2，坡長12.3 m，護坡頂以上采用植物措施防護。堤基為砂卵石，堤防頂寬3 m。背水坡為下游電站的引水渠，無貼坡排水或其他排水設備，水位按不發(fā)電時的水深0.5 m計，坡比為1∶2，堤身土為砂礫料。

本文的計算水位為上游堤坡十年一遇洪水時的水位，水深為5.18 m，下游為不發(fā)電時引水渠的水深0.5 m。土堤土的滲透系數(shù)為0.15 m/d，透水地基的滲透系數(shù)為50 m/d。選取0+000斷面分別計算（1）設計洪水位穩(wěn)定滲流情況下背水側堤坡和堤基的滲流量；（2）確定堤防浸潤線和下游逸出點位置；（3）確定堤坡出逸段和下游地基表面的出逸比降。

2.2 計算結果

2.2.1 單寬流量的計算

下游水深按最不利條件計算，即H2=0.5 m，計算求得透水地基下的下游逸出點高度、每日滲出量結果如表1示。

從表中可以看出，透水地基上堤身的單位寬度滲流量為171.81 m3/(d·m），即設計堤段的滲流量為13 m3/s，遠遠小于設計洪水標準Q10%=4244 m3/s，可知該設計堤防的防滲效果較好，可以滿足防洪要求。

2.2.2 浸潤線和逸出點的計算

浸潤線計算結果如表2所示，0+000斷面的滲流圖如圖1示。

圖1 0+000斷面滲流圖

由圖1可知浸潤線快速下降，工程防滲效果較好，該設計剖面滿足堤防安全要求。根據(jù)土堤的浸潤線，進一步用瑞典條分法計算土堤的抗滑穩(wěn)定，計算時不考慮條塊間的作用力，各土條的濕容重及飽和容重按照土層變化，計算得到堤防的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.101，大于允許安全系數(shù)1.10，可知該堤防在設計洪水位穩(wěn)定滲流期滿足工程需要，可以安全運行。

2.2.3 背水坡滲流出口比降計算

背水坡滲流出口比降的計算結果見表3。

表3 滲流比降成果表

從表3可以看出，堤身的滲流比降為0.447，小于允許比降0.50，不會發(fā)生流土破壞；堤基的滲流比降為0.162，小于允許比降0.20，不會發(fā)生管涌破壞。因此堤坡、堤基的滲流比降均滿足工程要求，壩體和壩基在洪水期穩(wěn)定滲流的情況下，不會發(fā)生滲透破壞。

2.3 計算結果分析

綜合分析上述計算結果，得出如下結論：（1）透水地基上堤身的單位寬度滲流量為171.81 m3/(d·m），即設計堤段的滲流量為13 m3/s，遠遠小于設計洪水標準Q10%=4244 m3/s，堤防的防滲效果較好，可以滿足防洪要求；（2）根據(jù)土堤的浸潤線，可知工程斷面滿足堤防安全要求，進一步用瑞典條分法計算土堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.101，大于允許安全系數(shù)1.10，堤防在設計洪水位穩(wěn)定滲流期可以安全運行；（3）堤身和堤基的滲流比降均小于各自的允許滲流比降，不會發(fā)生流土和管涌破壞。

3 結語

本文針對愛河治理工程的實際情況，采用水力學法對堤防的防滲穩(wěn)定進行分析，得出主要結論如下：（1）通過計算設計堤防的單寬滲流量、抗滑穩(wěn)定系數(shù)和滲流比降，可知該堤防在設計洪水位下可以安全運行，滿足防洪要求；（2）采用水力學法，合理假設、簡化計算條件可以較容易的得到解析解，方便中小工程的設計；（3）文中的計算方法沒有考慮孔隙水壓力作用，在進行實際工程控制設計時，應設置一定安全余度。

[1]郭維東,裴國霞,韓會玲.水力學,中國水利水電出版社.2005年9月第1次印刷.

[2]孫納正.地下水流的數(shù)學模型和數(shù)值方法[M].北京:地址出版社, 1981.

[3]毛昶熙.關于大壩滲流安全[J].大壩安全與監(jiān)測.1992(3):3-5.

[4]鄧苑苑.病險土石壩滲流破壞機理分析[D].石河子:石河子大學, 2006.

[5]徐蘊.基于Auto Bank的還鄉(xiāng)河治理工程堤防滲流穩(wěn)定分析[J].水科學與工程技術.2011(6):89-90.

[6]劉曉慶,施浩然.基于非飽和滲流理論的土石壩滲流分析[J].西華大學學報.2013,32(5):87-91,103.

[7]GB 50286-2013,堤防工程設計規(guī)范[Z].北京:中國計劃出版社, 2013.

表1 單位寬度滲流計算成果表

表2 土堤浸潤線坐標表

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2016-12-27

趙俊卿（1985-），女，河北石家莊人，工程師，主要從事水利工程設計等。