楊文浩，邵 琪，張 錚，沈建霞，王東英，王 飛

（1.蘇交科集團股份有限公司，南京 210017；2.江蘇省港口綠色技術(shù)集成工程中心，南京 210017；3.宿遷市交通運輸局，江蘇 宿遷 223800）

土中水的滲流是指自由水因勢能、毛細、重力等作用下在土體孔隙介質(zhì)中的流動。工程中，各種涉水建筑物和構(gòu)造物因滲流而引發(fā)變形破壞是一個嚴(yán)重的問題，在深基坑和岸坡工程中，滲流引發(fā)的土壓力變化和滲透變形，也會引發(fā)嚴(yán)重事故［1］。

土中水的滲流計算，已有較為成熟的工程應(yīng)用，并形成了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗公式，但降雨對土體滲流變形的影響，尚未形成明確的工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也是各位學(xué)者關(guān)注的熱點。 高海波［2］、洪斌［3］、李強［4］等分別建立了室內(nèi)人工模擬降雨試驗，通過再現(xiàn)降雨滲流失穩(wěn)狀況，建立了流場解析模型，對滲流方向、孔壓分布和抗剪強度等進行分析；邵恒新［5］、曾玲［6］、何忠明［7］等分別建立了降雨條件下的邊坡模型，開展了土體參數(shù)、邊坡形態(tài)、地下水位、降雨特性等一系列因素，對滲流—應(yīng)力耦合場中應(yīng)力孔壓分布、位移變化和塑性區(qū)范圍等結(jié)果的影響研究；李寧［8］、王雪冰［9］等分別在數(shù)值分析中引入降雨入滲邊界和滲流—應(yīng)力場耦合關(guān)系，通過改進入滲深度和降雨時長的函數(shù)關(guān)系，對涉雨邊坡的穩(wěn)定性進行了分析。大多數(shù)研究都重點關(guān)注降雨本身引發(fā)的滲流問題，對已有較高水頭差且遭遇降雨的工況，研究較少。

本文針對蘇北地區(qū)某船閘引航道工程的降雨工況，開展航道護坡的降雨滲流數(shù)值分析，與現(xiàn)場情況進行對比，在驗證數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的工程措施，并探索其適應(yīng)性，為此領(lǐng)域相關(guān)工程提供一些參考依據(jù)。

1 滲流分析基本方法

1.1 滲流分析的基本方程

根據(jù)達西定律和連續(xù)條件：

可得二維滲流方程：

式中 vx，vy分別為x和y方向的滲流流速；kx，ky分別為x和y方向的滲透系數(shù)；H為滲流場中某一點的滲壓水頭。

若將各項異性的滲流場通過坐標(biāo)變換，等效為均勻滲流場進行分析，則式（3）可變?yōu)椋?/p>

式中 X和Y分別為x和y方向變換后的坐標(biāo)，兩者呈正交關(guān)系。

最終，滲流場中的水頭或勢能可表達為如式（4）的拉普拉斯方程形式。

1.2 滲流常規(guī)計算

基于水力學(xué)方法，相關(guān)規(guī)范［10］給出了可用于常規(guī)設(shè)計的滲流計算方式，可以用來近似確定水壩浸潤線的位置，計算滲流流量、平均流速和比降，但必須基于一些假定：

（1）滲流為緩變流動，等勢線和流線均緩慢變化。

（2）滲流系數(shù)相差在10倍以內(nèi)的豎向條帶土層或是水平條帶土層可用同一等效的均質(zhì)土層代替。

（3）上游三角形棱體可用一等效的矩型體代替，如圖1。

圖1 均質(zhì)壩滲流簡化計算

（4）當(dāng)壩體和壩基滲流系數(shù)相同時，浸潤線在下游坡面的出逸高度可根據(jù)壩坡坡率近似確定。

上述計算方式在擋水建筑物，如土石壩計算中應(yīng)用廣泛，但應(yīng)用于岸坡類設(shè)施時需對計算模型進行等效變換，同時規(guī)范公式中沒有降雨工況的因子，滲流計算的可靠性降低。

1.3 數(shù)值計算方式

滲流分析是靜力分析，本質(zhì)上是比奧（Biot）固結(jié)理論有限元分析的特例。通過對滲流場進行離散，將單元滲流矩陣組裝為由結(jié)點水頭組成的方程組，即整體平衡方程：

式中［K］為形函數(shù)矩陣；{h}為結(jié)點水頭；h 為在自由水面邊界上的水頭；［p］為泛函I（h）的變分系數(shù)；［S］為水頭變化對流體和土骨架（孔隙）的體積影響系數(shù)；{F}為結(jié)點荷載項；t為時間變量。

求解式（5）通常有兩類邊界條件：第一類，所有水頭h是已知的，可直接在邊界上賦值；第二類，滲流量是已知的。

2 工程案例

2.1 工程規(guī)模

蘇北地區(qū)某船閘工程是京杭運河與地區(qū)性水域連接樞紐的關(guān)鍵節(jié)點。該工程建設(shè)等級IV級，包括船閘工程、配套及附屬工程。船閘有效尺度18m×180m×4m（口門寬度×閘室長×檻上水深）。 該船閘的上、下游引航道均采用“曲進直出”的反對稱布置方式，上游引航道護岸段430m、直線段450m，下游引航道護岸段210m、直線段440m，航道底寬均45m。 工程總投資2.5億元，其中工程費用1.8億元。

2.2 現(xiàn)場信息

2016～2018年，經(jīng)歷過3個汛期雨季，該船閘上下游引航道護岸邊坡出現(xiàn)了較嚴(yán)重的破壞，坡內(nèi)土體被掏刷、帶出，大量淤積在坡腳，護坡多處出現(xiàn)塌陷、坡面植被受到損毀、坡頂部分道路沉降變形，如圖2，現(xiàn)場最大岸坡位移可達70～80mm。

圖2 引航道護岸破壞現(xiàn)場

2.3 建模參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔取樣和室內(nèi)試驗，獲取工程位置的土層材料參數(shù)，如表1，再結(jié)合引航道護岸的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計斷面，可得到用于數(shù)模計算的簡化尺寸圖，如圖3。

表1 材料參數(shù)

圖3 護岸斷面

數(shù)值分析采用的網(wǎng)格劃分如圖4，AK，KJ，HJ邊均設(shè)為固定邊界，混凝土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)置為整體不透水，AB，EFGH邊均為可透水邊界。 降雨條件設(shè)定為連續(xù)10h降雨，總降雨量625mm，雨量分布均勻。

圖4 模型網(wǎng)格劃分

2.4 現(xiàn)場模擬結(jié)果

針對工程現(xiàn)場，首先對未加載降雨條件的工況進行了模擬計算，孔壓和浸潤線分布如圖5。

圖5 未降雨工況下數(shù)值模擬結(jié)果

其次，對降雨條件下的工況進行了數(shù)值模擬，孔壓分布未發(fā)生較大變化，但考慮到短時間有大量的滲流量進入土體，浸潤線位置較未降雨工況均有大幅抬升，如圖6。

圖6 降雨工況下浸潤線位置

因大量雨水的滲入，提升了墻后土體飽和度，降低了土體強度。相較于降雨前，墻后土體產(chǎn)生了較大位移。 如圖7，其中高通航水位下，位移20mm，低通航水位下，位移可達70mm。 同時坡頂?shù)耐馏w的沉陷和向水側(cè)的水平變形，擠壓了坡面土體，使之向坡面外側(cè)涌出，如圖8。

圖7 降雨工況下位移云圖

圖8 降雨工況下位移矢量圖

降雨工況下的數(shù)模結(jié)果與現(xiàn)場情況較為吻合，土體流失主要發(fā)生在坡頂偏下的位置，坡面土體涌出并被雨水掏刷，最大位移比現(xiàn)場勘測值略小。 因此，采用該模型參數(shù)對工程現(xiàn)場進行模擬較為可靠。

2.5 工程措施數(shù)模分析

針對降雨工況下的岸坡滲流破壞，可采取的工程措施有兩類：一是隔/排水，阻斷雨水從表面入滲的路徑，常見的隔/排水措施主要有水渠、明溝、隧洞排水［11］和土工膜防水［12］；二是對坡體加固，提高土體抗剪強度，常見的坡體加固措施主要有錨桿加固［13］、土工網(wǎng)防護［14］等。 因此，本工程分別采用坡面隔/排水（措施1）和墻后土體內(nèi)布設(shè)不透水層（措施2）兩種措施進行分析比選。

對于措施1，設(shè)置降雨不從EFGH邊（點位如圖4）入滲。在墻后坡體的坡頂處豎向設(shè)置不透水層。針對最低通航水位16.5m的降雨工況進行數(shù)值模擬，從結(jié)果可看出，相較于未施加措施的降雨工況，措施1可大幅降低浸潤線的高度，措施2由于墻后回填土后側(cè)有豎向不透水層，浸潤線未能穿透至墻后回填土（如圖9）。同時，兩種措施下，坡面土體的位移方向和未采取措施的工況基本相同，最大位移值均降至30mm以內(nèi)（如圖10）。

圖9 降雨工況下采取工程措施后的浸潤線位置

圖10 降雨工況下采取工程措施后的位移矢量

從各工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)（如表2）可看出，滲流本身會降低岸坡的穩(wěn)定性，降雨也會加劇安全系數(shù)的下降。當(dāng)采取一定措施后，可有效提升在高水位差滲流和降雨作用下的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

表2 各工況下岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)

從位移變化和穩(wěn)定安全系數(shù)來看，兩類措施均能有效減少高水位差滲流和降雨作用對護岸的影響。 工程實踐中，還應(yīng)結(jié)合具體的工程方案，從經(jīng)濟性、可操作性等方面對相關(guān)工程措施進行優(yōu)選。

3 結(jié)語

（1）結(jié)合具體的工程案例，對降雨工況下引航道護坡滲流影響進行數(shù)值模擬，并依據(jù)現(xiàn)場情況驗證了數(shù)模參數(shù)；采取相關(guān)措施，展開模擬分析。 這種針對工程的數(shù)模分析方法是可行的。

（2）高水位差條件下岸坡在降雨工況中的浸潤線會大幅抬升，坡頂土體水平位移增加，因同時受擋墻約束，坡面土體只能向外側(cè)擠出。

（3）滲流和降雨作用下航道護坡的穩(wěn)定性降低，當(dāng)采用隔/排水或坡體加固措施后，可有效提升岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)，大幅減少土體水平位移，同時降低浸潤線高度。

（4）隔/排水或坡體加固措施，對緩解降雨給航道護坡帶來滲流影響十分有效；在工程實踐中，還應(yīng)從經(jīng)濟性、可操作性等方面綜合優(yōu)選出具體的工程措施方案。