張明書， 陳海勇， 沈磊磊， 王丹生

(1. 中鐵開發(fā)投資集團有限公司， 云南 昆明 650118； 2. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

堤防滲流是指水體在堤防內(nèi)部的流動，可引發(fā)管涌和背坡面滑動等不同形式的堤防破壞與變形，甚至可直接導(dǎo)致堤防決口，造成極大的危害與損失[1～3]。滲流的理論計算是在已知定解條件下解滲流基本方程，從而求得滲流場水頭分布和滲流量等滲流要素。然而，由于無壓滲流有滲流自由面(浸潤線)，且非穩(wěn)定滲流自由面隨庫水位升降而變動，加之一般滲流場有不同程度的非均質(zhì)性和各向異性，幾何形狀和邊界條件較復(fù)雜，解析求解在數(shù)學(xué)上存在不少困難，僅能對一些簡單流動的情況獲得解析解[4]。盡管已有不少理論研究將傳統(tǒng)的理論方法進行了改進，例如有學(xué)者提出采用固定邊界求解有自由面滲流問題的初流量法，成功解決了傳統(tǒng)自由面法對有不同滲透介質(zhì)的計算域不能適用的問題[5]。然而對于實際工程復(fù)雜的地質(zhì)水文條件，出于計算效率的需要，堤防滲流的穩(wěn)定計算一般通過數(shù)值模擬進行分析求解。已有不少研究工作對堤防本身滲流穩(wěn)定性進行了模擬分析。例如，有學(xué)者基于可靠度方法，并且考慮土壤參數(shù)不確定性[6]和土壤滲透系數(shù)的空間變異性[4]建立了黃河堤防滲透破壞和堤防斷面滲透破壞的概率計算模型。然而，堤防附近的水文地質(zhì)條件并非一成不變的，例如管道穿越[7]、隧道穿越[8]等實際工程都會對堤防及周邊的滲流穩(wěn)定性造成影響。盡管已有研究對上述影響進行了分析，但堤防周圍地下綜合管廊的施工對堤防滲流穩(wěn)定性影響的研究則相對較少。

本文依托武九線綜合管廊臨江段項目，將管廊施工對臨近堤防段的滲流穩(wěn)定性影響進行數(shù)值模擬分析。滲流計算采用平面有限元計算分析法，使用河海大學(xué)的AUTOBANK7.0分析軟件，對管廊施工過程中以及工程竣工后的堤防斷面滲流場進行模擬計算，分析評價所選斷面的滲透穩(wěn)定性。

1 滲流計算基本理論

有限單元法在求解滲流問題時，一般以測壓管水頭H的分布為研究對象，作為二向滲流問題考慮，滲流的基本微分方程式及其邊界條件如下：

(1)

(2)

式中：Ss為單位貯水量，即單位面積、單位厚度的含水層在水頭降低一個單位時釋放的水量；K為滲透系數(shù)；Kx，Ky分別為x，y方向的滲透系數(shù)；H為待求的水頭勢函數(shù)；q為自由面的流量；Γ1為第一類邊界，Γ2為第二類邊界；n為Γ2的外法線方向；t為時間。

為了簡化分析，我們對滲流場的計算一般有以下基本假定：

(1)滲流場計算按平面穩(wěn)定問題考慮；

(2)土層滲透性按各向同性考慮，即Kx=Ky。

當(dāng)不考慮土體和水的壓縮性時，Ss=0，則式(1)變?yōu)槠矫娣€(wěn)定滲流問題。其基本控制方程為：

(3)

滲流場常遇到兩類邊界條件。第一類邊界Γ1為已知邊界水頭值；第二類邊界Γ2為已知或計算出邊界流量值。

計算分析時，堤后滲透坡降的大小滿足下式要求時，認為堤防滿足滲透穩(wěn)定：

J≤J允

(4)

式中：J為土層實際滲透坡降；J允為土層允許滲透坡降。

2 工程背景

江南中心綠道武九線綜合管廊工程位于武昌臨江片區(qū)，地處長江主軸的核心區(qū)，是長江主軸的重要組成部分，工程主要沿武九鐵路線，跨過民主路、公正路、友誼大道、和平大道延伸至臨江大道東側(cè)，直至德平路，如圖1所示。

圖1 武九管廊線路

新建江南中心綠道武九綜合管廊后，長江堤防及管廊基坑附近的滲流場將發(fā)生變化。滲流場的變化可能會形成較大的水力坡降，對地基滲透穩(wěn)定性造成一定影響。通過滲流計算，可以確定滲流場中水頭分布特性及關(guān)鍵部位的滲透水壓力以及通過地基的滲透流量。結(jié)合工程所在地的實際地質(zhì)因素和水力條件，計算土層滲流路徑上各點的水力坡降，并與允許水力坡降進行比較來評價地基的滲透穩(wěn)定性。為了研究方便，我們主要分析計算管廊在工程施工期和運行期對堤防的滲流穩(wěn)定性。

根據(jù)本管廊工程的詳細勘察報告及武漢市江堤整險加固工程地質(zhì)勘察報告，并結(jié)合文獻[9]，取各土層允許水力坡降如表1所示。

表1 各土層允許水力坡降

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型簡介

(1)概化模型

武車三路斷面堤防主要形式為防洪墻，防洪墻臨江側(cè)和背江側(cè)邊坡坡比均為1∶3, 堤防背江側(cè)簡化為高程為24.56 m的水平地面，管廊邊線距離堤腳31 m，武車三路管廊位置如圖2所示，其中上部紅色細實線部分為防洪墻，玫紅色粗實線為堤腳線。

圖2 武車三路管廊位置

`由以上資料，建立基本典型斷面模型，如圖3所示，其中模型長約220 m，以臨江側(cè)堤防內(nèi)腳為參照基準(zhǔn)，臨江側(cè)長約127.5 m，背江側(cè)長約92.5 m，地面以下深約24.56 m。模型中管廊邊界距離堤腳31 m，管廊頂部埋深3.46 m，管廊尺寸13.3 m×5 m。

圖3 武九綜合管廊長江堤防段斷面模型/m

(2)土層信息

根據(jù)本管廊工程地質(zhì)勘察報告，各層土體材料參數(shù)及堤防參數(shù)取值如表2所示。

3.2 工況設(shè)計及邊界條件

工況一：基坑開挖斷面形成，管廊未施工，外江遭遇施工當(dāng)年11月～次年4月施工期水位，堤內(nèi)水位與基坑底齊平。穩(wěn)定滲流情況下，評價所選斷面能否滿足滲控計算要求。

工況二：基坑回填完成，外江遭遇設(shè)計洪水位，堤內(nèi)水位與地面齊平，新填土按防治補救措施要求回填，滲透系數(shù)取1.0×10-5cm/s，穩(wěn)定滲流情況下，評價所選斷面能否滿足計算要求。

表2 土體抗剪強度、滲透系數(shù)試驗指標(biāo)

3.3 數(shù)值計算結(jié)果與分析

管廊施工過程中和竣工后兩種工況下計算得到模型滲流情況分別如圖4，5所示，地基中的分界線為等勢線。

圖4 管廊施工過程中滲流等勢線/m

圖5 管廊竣工后滲流等勢線/m

各斷面、各工況下滲流場中的滲流流速和水力坡降分別如表3～5所示。從表3～5可知，對于武車三路斷面：

(1)基坑開挖完成，外江遭遇施工期水位，基坑內(nèi)水位位于基坑底面時為最不利計算工況。根據(jù)滲流計算結(jié)果，最大水力坡降為6.34且發(fā)生在基坑前邊緣，小于允許水力坡降(>50)，且在施工中和竣工后兩個工況中，堤防內(nèi)腳處滲流流速明顯增大，主要原因是竣工后按設(shè)計洪水位設(shè)置邊界條件，外江水位的增加會引起該處滲流流速的增大。對于基坑前后斷面，最大滲流流速均減小。各斷面竣工前后最大滲流流速僅為1.08×10-7m/s，不會對滲流穩(wěn)定產(chǎn)生影響，綜上，可認為滿足滲流穩(wěn)定要求。

(2)工程完工后運行期，當(dāng)外江水位達到設(shè)計洪水位時，最大水力坡降為0.09，且發(fā)生在堤防內(nèi)腳，小于對應(yīng)土層的水力坡降限值(1-1雜填土：0.20)；回填土內(nèi)最大水力坡降為0.06，小于該土層的水力坡降限值(新填土：0.30)，綜上，可認為滿足滲流穩(wěn)定要求。

(3)本文計算得到的各斷面最大水力坡降與防洪評價報告給出的水力坡降值吻合較好。

表3 各斷面、工況滲流場滲流流速 m/s

表4 各斷面施工過程中的最大水力坡降

表5 各斷面竣工后的最大水力坡降

4 結(jié) 論

本文以武漢長江堤防段的武九綜合管廊施工為背景，采用AUTOBANK7.0分析軟件，對管廊施工引起臨近堤防段的滲流穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬分析。研究結(jié)果表明：本文計算得到的水力坡降結(jié)果與設(shè)計院提供的防洪評價報告值吻合較好，驗證了本文數(shù)值方法的可靠性。在兩種最不利工況下，臨近長江堤防段的水力坡降和滲流流速均滿足各自土層的限值要求，說明臨近長江堤防段的滲流穩(wěn)定性滿足要求。