趙俊卿

基于水力學(xué)法的愛(ài)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(cè)設(shè)計(jì)院，遼寧鳳城118100）

在中小河流的治理過(guò)程中，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，堤防滲流穩(wěn)定是防洪渡汛的重要保障。運(yùn)用水力學(xué)法對(duì)愛(ài)河治理工程堤防的單位寬度滲流量、浸潤(rùn)線(xiàn)和逸出點(diǎn)及背水坡滲流出口比降進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：堤身的滲流比降為0.447，小于允許比降0.50，不會(huì)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(huì)發(fā)生管涌破壞。可為堤防設(shè)計(jì)的合理性提供量化依據(jù)。

堤防，滲流分析，水力學(xué)法，愛(ài)河治理工程

均質(zhì)土堤滲流分析的主要目的是計(jì)算堤坡和堤基的滲流量、確定堤防浸潤(rùn)線(xiàn)和下游逸出點(diǎn)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(gè)復(fù)雜的空間問(wèn)題，1856年，法國(guó)工程師提出了著名的達(dá)西定律，奠定了滲流理論研究發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。1857年，法國(guó)學(xué)者杜平在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上，把滲流理論推廣到非均勻漸變滲流[2]。1889年，俄國(guó)著名學(xué)者H.E茹可夫斯基首先推導(dǎo)了滲流微分方程[3]，針對(duì)滲流分析的解析解法開(kāi)始出現(xiàn)。滲流分析方法主要有試驗(yàn)法及理論分析方法，理論分析方法又可以歸納為液體力學(xué)法和水力學(xué)法。水力學(xué)法認(rèn)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(xiàn)方向的橫斷面形狀和尺寸不變時(shí)，除堤坡兩端外，堤防內(nèi)部滲流為層流,符合達(dá)西定律，如果斷面的形狀和地基條件也比較簡(jiǎn)單，又可作為漸變滲流來(lái)處理，任意過(guò)水?dāng)嗝娴乃搅魉俸捅冉刀际窍嗟鹊?簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，容易求得解析解，滿(mǎn)足中小工程設(shè)計(jì)需求。許多學(xué)者對(duì)滲流問(wèn)題進(jìn)行研究，多采用數(shù)值模擬的方法[4-6]。對(duì)于中小河流來(lái)說(shuō)，本身的水文地質(zhì)情況不健全、且工程規(guī)模不大，運(yùn)用以上方法難以得到解析值。本文運(yùn)用水力學(xué)法對(duì)愛(ài)河治理工程的堤防滲流穩(wěn)定進(jìn)行分析，并為其堤防設(shè)計(jì)的合理性提供量化依據(jù)。

1 計(jì)算原理[7]

1.1 單位寬度滲流量的計(jì)算

透水地基，下游坡無(wú)排水設(shè)備時(shí)，穩(wěn)定滲流可用下式計(jì)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(zhì)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(diǎn)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(rùn)線(xiàn)和逸出點(diǎn)的計(jì)算

計(jì)算透水地基上的均質(zhì)土堤的浸潤(rùn)線(xiàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)下游不同的排水形式首先計(jì)算特征水深，然后再計(jì)算浸潤(rùn)線(xiàn)。

下游無(wú)排水設(shè)備時(shí)，特征水深的計(jì)算：

（1）當(dāng)k＞k0時(shí)

(2)當(dāng)k≤k0時(shí)：

求得特征水深后，無(wú)論堤身采用何種排水形式，浸潤(rùn)線(xiàn)均可按下式計(jì)算：

1.3 背水坡滲流出口比降計(jì)算

透水地基均質(zhì)土堤坡面滲流比降可采用下式計(jì)算：

2 愛(ài)河治理工程滲流穩(wěn)定分析

愛(ài)河是鴨綠江較大支流之一，也是丹東市境內(nèi)最大的一條河流。干流全長(zhǎng)181.95 km，流域面積5902 km2。愛(ài)河治理工程位置以上流域面積為2600 km2。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014)和丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院2004年編制的《愛(ài)河流域規(guī)劃報(bào)告》（修改稿）規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)章節(jié)中確定的防洪標(biāo)準(zhǔn)，確定為十年一遇。綜合《遼寧省中小河流（無(wú)資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》計(jì)算結(jié)果和上游龍灣水文站設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)河道縱比降4.6‰。

工程場(chǎng)地地貌為河床、河漫灘和一級(jí)階地，岸邊坡頂及坡腳表面的粉質(zhì)粘土物理力學(xué)性質(zhì)較差，密實(shí)度較低，而河床卵石的強(qiáng)度較高，場(chǎng)地中的粉質(zhì)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(zhì)粘土與卵石的接觸面易產(chǎn)生接觸沖刷。

2.1 計(jì)算條件

愛(ài)河治理工程采用蜂巢格網(wǎng)干砌石護(hù)坡、基礎(chǔ)，總長(zhǎng)65 m，迎水坡坡比1∶2，坡長(zhǎng)12.3 m，護(hù)坡頂以上采用植物措施防護(hù)。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(wú)貼坡排水或其他排水設(shè)備，水位按不發(fā)電時(shí)的水深0.5 m計(jì)，坡比為1∶2，堤身土為砂礫料。

本文的計(jì)算水位為上游堤坡十年一遇洪水時(shí)的水位，水深為5.18 m，下游為不發(fā)電時(shí)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(jì)算（1）設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流情況下背水側(cè)堤坡和堤基的滲流量；（2）確定堤防浸潤(rùn)線(xiàn)和下游逸出點(diǎn)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(jì)算結(jié)果

2.2.1 單寬流量的計(jì)算

下游水深按最不利條件計(jì)算，即H2=0.5 m，計(jì)算求得透水地基下的下游逸出點(diǎn)高度、每日滲出量結(jié)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(shè)計(jì)堤段的滲流量為13 m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)Q10%=4244 m3/s，可知該設(shè)計(jì)堤防的防滲效果較好，可以滿(mǎn)足防洪要求。

2.2.2 浸潤(rùn)線(xiàn)和逸出點(diǎn)的計(jì)算

浸潤(rùn)線(xiàn)計(jì)算結(jié)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(rùn)線(xiàn)快速下降，工程防滲效果較好，該設(shè)計(jì)剖面滿(mǎn)足堤防安全要求。根據(jù)土堤的浸潤(rùn)線(xiàn)，進(jìn)一步用瑞典條分法計(jì)算土堤的抗滑穩(wěn)定，計(jì)算時(shí)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(jì)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(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期滿(mǎn)足工程需要，可以安全運(yùn)行。

2.2.3 背水坡滲流出口比降計(jì)算

背水坡滲流出口比降的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(huì)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(huì)發(fā)生管涌破壞。因此堤坡、堤基的滲流比降均滿(mǎn)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(huì)發(fā)生滲透破壞。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

綜合分析上述計(jì)算結(jié)果，得出如下結(jié)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(shè)計(jì)堤段的滲流量為13 m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)Q10%=4244 m3/s，堤防的防滲效果較好，可以滿(mǎn)足防洪要求；（2）根據(jù)土堤的浸潤(rùn)線(xiàn)，可知工程斷面滿(mǎn)足堤防安全要求，進(jìn)一步用瑞典條分法計(jì)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(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期可以安全運(yùn)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(huì)發(fā)生流土和管涌破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)愛(ài)河治理工程的實(shí)際情況，采用水力學(xué)法對(duì)堤防的防滲穩(wěn)定進(jìn)行分析，得出主要結(jié)論如下：（1）通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)洪水位下可以安全運(yùn)行，滿(mǎn)足防洪要求；（2）采用水力學(xué)法，合理假設(shè)、簡(jiǎn)化計(jì)算條件可以較容易的得到解析解，方便中小工程的設(shè)計(jì)；（3）文中的計(jì)算方法沒(méi)有考慮孔隙水壓力作用，在進(jìn)行實(shí)際工程控制設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)置一定安全余度。

[1]郭維東,裴國(guó)霞,韓會(huì)玲.水力學(xué),中國(guó)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(xué)模型和數(shù)值方法[M].北京:地址出版社, 1981.

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

[4]鄧苑苑.病險(xiǎn)土石壩滲流破壞機(jī)理分析[D].石河子:石河子大學(xué), 2006.

[5]徐蘊(yùn).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(xué)與工程技術(shù).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(xué)學(xué)報(bào).2013,32(5):87-91,103.

[7]GB 50286-2013,堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[Z].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社, 2013.

表1 單位寬度滲流計(jì)算成果表

表2 土堤浸潤(rùn)線(xiàn)坐標(biāo)表

TV871

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1673-9000（2017）02-0134-02

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(shè)計(jì)等。