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(1.河南省周口市節(jié)約用水辦公室，河南 周口 466001；2.黃河流域水資源保護局，河南 鄭州 450053；3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450003)

堤防滲流計算若干問題的探討

殷素娟1，張立2，田大永3，雷崇方3

(1.河南省周口市節(jié)約用水辦公室，河南 周口 466001；2.黃河流域水資源保護局，河南 鄭州 450053；3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450003)

維護堤防的滲透穩(wěn)定性是確保堤防建設與運行安全的關鍵。歸納總結(jié)了河道管理范圍內(nèi)不同建設項目對堤防滲流穩(wěn)定影響的形式、原因。并以某取水工程管道穿越堤防滲流穩(wěn)定計算為例，對管道穿堤前后堤防的滲流場進行對比分析，評價施工前后堤防土體的滲透穩(wěn)定性影響，并提出相應補償措施。

堤防滲流；穩(wěn)定；計算

1 概況

滲透破壞是堤防最主要的破壞形式之一，因此維護堤防的滲透穩(wěn)定性是確保堤防建設與運行安全的關鍵[1]。如果在河道堤防附近建設跨堤、穿堤等建筑物，將會對堤防的滲流穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》中的規(guī)定“:橋梁、渡槽、管道等跨堤建筑物、構筑物，其支墩不應布置在堤身設計斷面以內(nèi)。當需要布置在堤身背水坡時， 必須滿足堤身抗滑和滲流穩(wěn)定的要求”[2]。在編制防洪影響評價報告時，如果建設項目可能影響現(xiàn)有的堤防滲流穩(wěn)定安全， 則需要進行滲流穩(wěn)定計算，通過計算求出滲流場內(nèi)的水頭、壓力、坡降等水利因素，并根據(jù)計算結(jié)果進行滲透穩(wěn)定性影響分析并提出保證堤防滲流安全穩(wěn)定的預防措施。

2 堤防滲流穩(wěn)定影響分析

2.1 穿河、堤建筑物對堤防滲流穩(wěn)定影響

穿堤建筑物對堤防的破壞主要原因是沿堤防基礎或者穿堤建筑物與堤防周邊填土接觸面產(chǎn)生，形成一個擾動范圍。穿堤建筑物形成的擾動范圍是沖刷最先發(fā)生的地方。在沖刷影響初期，擾動范圍內(nèi)的土體顆粒被水沖出堤防，進從而形成一個關鍵滲流通道，從而引起堤防沉降、變形，隨著擾動范圍逐漸增加，堤防因滲流沖刷而潰堤[3]。目前在穿河、穿堤施工過程中主要采用定向鉆穿越、盾構穿越和頂管等施工工藝。定向鉆穿越雖然具有不開挖地面、不破壞地層結(jié)構、不損壞河堤、不擾動河床對原工程影響較小的特點，但在穿越過程中總是無法避免會對管道周邊的原土體產(chǎn)生擾動，影響原土體的密實度，使管道周圍土體的滲透系數(shù)增大(隨著土體的孔隙率增加)，甚至可能會沿管道周邊形成一條滲流通道，這對于堤防的穩(wěn)定、安全性是相當不利的[4]。由于施工工藝較為先進，盾構穿越和頂管是目前常用的施工手段，除了在施工過程中形成擾動面從而影響堤防滲的流穩(wěn)定安全外，在類似的施工方法中，往往需要同時開挖工作豎井，形成的工作豎井也可能導致堤防產(chǎn)生滲透破壞，這也是需要引起注意的影響因素之一。

2.2 跨河、堤建筑物對堤防滲流穩(wěn)定影響

橋梁經(jīng)過河道時需要跨越河流兩側(cè)的堤防，需要在堤防附近設置一定數(shù)量的橋墩，橋墩的樁基基礎埋深比較深，容易擾動土體形成易透水層，再加上灌注樁和施工過程中震動對堤防土體造成的影響，極易將土體形成滲流通道并貫穿土體形成擾動滲流，尤其在土質(zhì)松軟的地區(qū)更易影響滲流穩(wěn)定[5]。如果橋墩設計在堤防的自身斷面內(nèi)，則將對堤防產(chǎn)生嚴重的影響：一方面橋墩將減少堤防的設計斷面，在堤防和橋墩的接觸面形成擾動層，使得堤防更容易發(fā)生接觸滲漏，造成堤防滲流穩(wěn)定性變差。另一方面，在橋梁運行時，橋上的騎車使得橋墩受動載作用而產(chǎn)生的震動，會使得設置在堤身內(nèi)橋墩的周圍土體發(fā)生擾動，如果堤防在水中浸泡時間過長，堤防和橋墩的接觸面更容易形成滲流通道。另外，在橋墩施工時會進行基坑開挖并降水，從而導致水頭差增大，也會對堤防滲流穩(wěn)定安全造成不利影響。

2.3 堤防后基坑開挖對堤防滲流穩(wěn)定影響

在河流內(nèi)建設取水泵房、取水井等工程建筑物時，大都要在堤后開挖基坑降水，汛期時，堤防迎水面水位和基坑內(nèi)低水位形成較大水頭差，從而使得堤防兩側(cè)水力坡度顯著增加，從而影響堤防穩(wěn)定安全。當?shù)叵滤幌鄬^高，堤防土體滲透系數(shù)較大的地方，更容易對堤防造成滲流穩(wěn)定破壞。因此，在堤防后進行基坑深開挖時，須對堤防與堤基進行滲流分析，并對堤防的邊坡進行穩(wěn)定分析[6]。

3 堤防滲流穩(wěn)定算例

3.1 計算原理

本次使用非飽和土滲流有限元理論對某電廠取水工程管道穿越淮河大堤進行滲流計算。根據(jù)達西定律，對于非均各向異性二維滲流場，水頭勢函數(shù)滿足微分方程：

式中：φ=φ(x，y)為待求水頭勢函數(shù)；x，y為平面坐標；Kx，Ky為x，y軸方向的滲透系數(shù)。

水頭φ還必須滿足一定的邊界條件，經(jīng)常出現(xiàn)以下兩種邊界條件：

(1)在上游邊界上水頭已知：φ=φn

(2)在逸出邊界水頭和位置高程相等：φ=z

其中l(wèi)x，ly為邊界表面向外法線在x，y方向的余弦。

將滲流場用離散，假定單元滲流場的水頭函數(shù)勢φ為多項式，由微分方程及邊界條件確定其問題的變分形式，可導得出線性方程組：

[H]{φ}={F}

式中：[H]為滲透矩陣；{φ}為滲流場水頭；{F}為節(jié)點滲流量。

計算軟件采用節(jié)點虛流量法通過多次迭代計算自動確定浸潤線位置和出逸高度。

3.2 工程概況

根據(jù)某項目在河道內(nèi)取水的施工設計方案，設計水泵站處于大堤的內(nèi)側(cè)，利用取水頭和自流引水管取水，泵房距離大堤的堤腳60 m，引水管為Φ1 640×20鋼管，長約1 063 m，中心標高10.50～11.50 m，其中1 044 m為頂管法施工(包括穿越淮北大堤段)。工程所在大堤堤頂高程約28.0 m，頂寬10 m，兩側(cè)邊坡1:3，灘地高程21.0 m?；春影倌暌挥龊樗粸?5.87 m，千年一遇洪水位為27.34 m。

3.3 計算區(qū)域與計算參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)報告并參考《淮北大堤加固工程初步設計》地質(zhì)資料進行分析計算，大堤堤身土為粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)取1.56×10-5cm/s；堤基①層土為粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)取1.56×10-5cm/s；③、④層粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)取1.56×10-5cm/s；⑤層為細砂，滲透系數(shù)取1.0×10-3cm/s；⑥層為粘土，滲透系數(shù)取1.0×10-6cm/s。因頂管施工有可能造成管壁周圍的土體松動，從而增加了滲透性，本次計算用增大管道周圍一定范圍內(nèi)的土體的滲透系數(shù)的方法來模擬管道對土體的擾動情況，取周圍的土滲透系數(shù)比原狀土大一個數(shù)量級來考慮，模擬頂管施工后對土的擾動，即10～12 m高程范圍內(nèi)土的滲透系數(shù)取1×10-4cm/s。

3.4 計算工況及邊界條件

分別按照淮河百年一遇洪水位25.87m和千年一遇洪水位27.34 m兩種工況對管道穿越淮河大堤前后分別進行計算，泵房側(cè)考慮無水，因取水管埋深較深，且進出口距離堤腳均較遠，故計算時堤腳以外均按照50 m考慮，計算見簡圖1。

圖1 滲流計算簡圖

3.5 計算結(jié)果

根據(jù)二維滲流有限元程序計算結(jié)果得到管道穿越淮河大堤前后百年一遇和千年一遇的流網(wǎng)圖(見圖2～圖5)，最大滲透坡降見表1。

表1 平面滲流分析成果表

注：表中Jmax為最大滲透坡降。

3.6 成果分析

從計算的成果來看，管道穿越淮河大堤對堤防的滲流穩(wěn)定產(chǎn)生了一定的影響，使下游堤坡的逸出坡降有所增大，管道穿越后百年一遇洪水位和千年一遇洪水位下堤防最大滲透坡降分別為0.36和0.42，由于堤基第①層為粉土或粘土，其允許出逸坡降[J]=0.5～0.6，各工況下穿越淮河大堤逸出坡降均小于規(guī)范的允許值。但是由于頂管施工擾動堤基土體，導致堤防滲流溢出點的滲透坡降有所增大，取水管道的施工對堤防滲流穩(wěn)定造成了一定程度的不利影響，但在堤防滲透穩(wěn)定性分析中，堤防滲透穩(wěn)定還是滿足要求的。

圖2 穿越前百年一遇洪水位計算成果圖

圖3 穿越后百年一遇洪水位計算成果圖

圖4 穿越前千年一遇洪水位計算成果圖

圖5 穿越后千年一遇洪水位計算成果圖

4 結(jié)語

(1)在實際的堤防滲流穩(wěn)定計算中，經(jīng)常需要對堤防斷面、土層斷面等相關條件進行簡化計算，例如一些管道穿堤工程并不是水平穿越，而是從上到下穿越不同的土層，此時便較難將管道的影響進行簡化計算。若遇次類情況，在滲流計算中穿堤管道經(jīng)過的土體滲透系數(shù)較大，則土體中滲透系數(shù)最大的值可作為管道周圍擾動土體的滲透系數(shù)取值，如果堤防土體滲透系數(shù)較小，則可按照增大管道周邊土體的滲透系數(shù)值兩個數(shù)量級取值，擾動土體的影響范圍可外延管道管徑的一半或者管道直徑擴大1 m。

(2)由于滲流穩(wěn)定計算過程中需要進行有限元網(wǎng)格剖分，在計算過程中應合理劃分網(wǎng)格，保證劃分網(wǎng)格能夠反映滲流過程，保證計算精度。

(3)在收集到相應地質(zhì)勘探報告后，應參考已有的工程經(jīng)驗進行對比計算；計算中應設置不同工況下的滲流穩(wěn)定方案，選用不同計算方法和手段對比分析，根據(jù)不同工況成果提出相應的保護及補償措施，確保大堤穩(wěn)定安全。

[1]張楓.跨越堤防橋梁基礎對堤防滲透穩(wěn)定性影響分析[J].人民長江. 2011.(42) 147-149.

[2]王松.對跨河橋梁防洪評價幾個問題的探討[J].治淮.2011.(11):71-72.

[3]陳輝，景衛(wèi)華，李益進等.穿堤建筑物的防滲措施簡析[J].山西建筑.2009.35(2):356-357.

[4]朱乃榕. 西氣東輸工程管道穿越建筑物結(jié)構穩(wěn)定及滲透研究[D].河海大學.2005.

[5]查道滿. 安徽省淮河干流跨河橋梁防洪影響分析及對策[J].治淮.2011.11:60-61.

[6]袁新明，張磊磊，顧美娟. 堤后有深開挖的堤壩滲流及其穩(wěn)定分析[A].中國水利學會巖土力學專業(yè)委員會、中國水利學會工程管理專業(yè)委員會.水工滲流研究與應用進展——第五屆全國水利工程滲流學術研討會論文集[C].中國水利學會巖土力學專業(yè)委員會、中國水利學會工程管理專業(yè)委員會.2006:6.

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1004-1184(2017)06-0100-02

2017-08-14

殷素娟(1972-)，女，河南周口人，工程師，主要從事城市地下水資源管理工作。