葉志軍

（福建省漳州市城市建設(shè)投資開(kāi)發(fā)有限公司，福建 漳州 363000）

1 工程概況

西院滯洪區(qū)一期工程位于漳州市薌城區(qū)北臨瑞京路，南臨北江濱路，西臨惠民路，東臨薌城交警大樓，總占地面積約378.28 畝（不含金峰污水處理廠(chǎng)89.95畝）。根據(jù)西院滯洪區(qū)（西院濕地公園）一期總體規(guī)劃，濕地園內(nèi)部結(jié)合規(guī)劃水利滯洪區(qū)設(shè)計(jì)了約34 600 m2的人工湖。人工湖不僅是漳州城區(qū)水系的重要滯洪區(qū)，也是滯洪公園的核心。因此，本護(hù)岸設(shè)計(jì)將主要采用可呼吸的生態(tài)護(hù)岸型式，實(shí)現(xiàn)綠地與湖體的有機(jī)溝通。根據(jù)景觀布置的不同要求，分別采用緩坡入水護(hù)岸、淺水濕地護(hù)岸、卵石平灘護(hù)岸、木樁圍島護(hù)岸及橋下過(guò)渡護(hù)岸，護(hù)岸總長(zhǎng)約1 325 m。

2 計(jì)算內(nèi)容及參數(shù)選取

2.1 計(jì)算內(nèi)容

由于西院濕地公園緊鄰九龍江，下伏強(qiáng)透水層，如西院濕地公園開(kāi)挖深度過(guò)深，在九龍江汛期高水位的情況下可能會(huì)發(fā)生管涌現(xiàn)象，給九龍江相應(yīng)岸線(xiàn)堤防穩(wěn)定帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，因此必須要對(duì)鄰近九龍江的位置湖底開(kāi)挖深度進(jìn)行計(jì)算，確保防洪安全。計(jì)算對(duì)象為西院濕地公園人工湖，計(jì)算內(nèi)容為滲流穩(wěn)定計(jì)算，取包括湖區(qū)最深點(diǎn)的縱剖面作為計(jì)算剖面（圖1 所示），大堤至九龍江江底計(jì)算長(zhǎng)度150 m，大堤至湖區(qū)邊界計(jì)算長(zhǎng)度115 m，湖區(qū)邊界至湖底最深點(diǎn)計(jì)算長(zhǎng)度70 m。計(jì)算組合工況如表1 所示。

圖1 計(jì)算剖面平面位置圖

表1 組合工況

2.2 地質(zhì)資料

根據(jù)《西院滯洪區(qū)（西院濕地公園）一期—水閘泵站及湖體開(kāi)挖駁岸工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，各土層物理力學(xué)指標(biāo)及各土層滲透系數(shù)建議值如表2 所示。

表2 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 計(jì)算原理

本研究中開(kāi)挖防滲采用slide（平面有限元滲流分析計(jì)算軟件）進(jìn)行滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算，二維穩(wěn)定滲流的微分方程式為：

式中 h——總水頭；

kx，ky——分別為x 和y 方向的滲透系數(shù)。

計(jì)算采用二維平面有限元滲流模擬進(jìn)行分析，選取三種工況：

1）施工工況：當(dāng)本段九龍江達(dá)到百年一遇水位12.88 m 時(shí)，湖區(qū)對(duì)應(yīng)水位取施工開(kāi)挖最低坑底高程0.50 m；

2）正常工況：當(dāng)本段九龍江達(dá)到百年一遇水位12.88 m 時(shí)，湖區(qū)對(duì)應(yīng)水位取常水位4.00 m；

3）防滲處理后工況：當(dāng)本段九龍江達(dá)到百年一遇水位12.88 m 時(shí)，湖區(qū)對(duì)應(yīng)水位取常水位4.00 m，臨江側(cè)湖岸覆蓋0.5 m 厚粘土至湖底。

3 防滲計(jì)算結(jié)果分析

3.1 正常工況

該坡岸地形變化較小，坡岸通過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，對(duì)典型剖面建立二維平面有限元模型。該坡岸處地下水位較低，模型下邊界為基巖一下約一倍壩高，并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，提高計(jì)算精度。通過(guò)對(duì)正常工況下湖區(qū)水平一處坡降、湖區(qū)垂直逸出坡降以及湖區(qū)總逸出坡降進(jìn)行計(jì)算，得出了相應(yīng)的滲流場(chǎng)分布圖如圖2 所示。由計(jì)算結(jié)果可以得知，整個(gè)滲流場(chǎng)的水頭分布基本合理，水頭等值線(xiàn)的計(jì)算結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確的反映各區(qū)域滲流情況及防滲措施的特點(diǎn)，整個(gè)典型斷面的滲流控制措施得到有效的反映。計(jì)算結(jié)果顯示：正常工況下，最大滲透出逸坡降為0.15。

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，可以看出坡岸的防滲控制措施仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。一是坡岸的上游存在較高的水頭壓力及滲透流速，其對(duì)坡岸的作用較為明顯，可以充分考慮防滲性能及抗裂縫沖蝕及裂縫自愈能力，并在坡岸下游設(shè)計(jì)合理的反濾層，可較好地解決坡岸的滲流沖蝕及不均勻沉降問(wèn)題，防止坡岸水平裂縫的發(fā)生。二是下游排水體的合理設(shè)置，排水體能夠截?cái)嗥掳段茨芙刈〉臐B流，以較小的水頭損失排到坡岸以外，降低下游溢出點(diǎn)及下游滲流情況。尤其是近年來(lái)采用的反濾排水整體設(shè)計(jì)，排水體緊靠防滲體布置，充分發(fā)揮其排水作用，保證了反濾過(guò)渡層后壩體全部處于無(wú)滲流區(qū)。

3.2 施工工況

施工工況是指當(dāng)本段九龍江達(dá)到百年一遇水位12.88 m 時(shí)，湖區(qū)對(duì)應(yīng)水位取施工開(kāi)挖最低坑底高程0.50 m。對(duì)典型剖面建立二維平面有限元模型，分別計(jì)算施工工況下湖區(qū)水平逸出坡降場(chǎng)、湖區(qū)垂直逸出坡降場(chǎng)以及湖區(qū)總逸出坡降場(chǎng)，得到的結(jié)果如圖3 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以分析：施工工況下，最大滲透出逸坡降為0.19，相對(duì)于正常工況來(lái)說(shuō)最大滲透出逸坡降提升了0.04，這也意味著在施工工況下，坡岸發(fā)生滲流破壞的可能想比正常工況下更高。因此，在臨江側(cè)湖區(qū)駁岸設(shè)置反濾層能夠起到防滲優(yōu)化的作用。

3.3 防滲處理后工況

通過(guò)slide 滲流穩(wěn)定計(jì)算和理正巖土-滲流問(wèn)題公式法滲流穩(wěn)定復(fù)核，西院濕地公園湖區(qū)滲流計(jì)算滿(mǎn)足規(guī)范要求，但是考慮到九龍江大堤的重要性及相關(guān)專(zhuān)家的意見(jiàn)，在臨江側(cè)湖區(qū)駁岸增設(shè)防滲反濾層，以保證大堤安全。

反濾層擬采用鋪設(shè)干砌塊石（厚300 mm）+碎石墊層（厚100 mm）+黃砂一層（厚100 mm）+土工布一層（250 g/m2）的防滲措施，鋪設(shè)范圍為駁岸線(xiàn)向湖中心15 m 范圍內(nèi)。采用slide 計(jì)算軟件對(duì)此工況進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果如圖4 所示。

圖2 正常工況計(jì)算結(jié)果

圖3 施工工況計(jì)算結(jié)果

圖4 防滲處理復(fù)核計(jì)算結(jié)果

本工程滲流出口為第④層中砂，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）第3.2.2 節(jié)，安全系數(shù)取值1.5，則允許水力比降為0.3/1.5=0.2。通過(guò)“slide”滲流穩(wěn)定計(jì)算，防滲處理后，最大滲透出逸坡降為0.14，滿(mǎn)足規(guī)范要求，大堤防滲能力得到一定程度的加強(qiáng)。

4 反濾層的防滲機(jī)理及施工質(zhì)量要求

4.1 反濾層的防滲機(jī)理

從前文數(shù)值模擬可以看出，在下游坡面設(shè)置反濾層有助于降低水力坡降。其具體的機(jī)理為，反濾層能夠防止壩體內(nèi)粒徑較小的土顆粒隨著滲透水的流動(dòng)而逐漸析出，同時(shí)又保證了坡面上游的滲透水阻礙較小，能夠順利排出，由此能夠有效地降低坡面下游的滲流位勢(shì)，在下游坡岸的出水位置形成無(wú)壓逸出狀態(tài)。反濾層的土料一般為多種不同粒徑的顆粒，粒徑較小的顆粒能夠阻止水中處于懸浮狀態(tài)的土顆粒在滲流狀態(tài)下不會(huì)析出。同時(shí)，由于反濾料較小的粒徑，它也能夠有效阻擋住坡岸壩體內(nèi)的粒徑較大的土粒，防止其被滲透水帶走，發(fā)揮著保護(hù)坡岸的作用。

4.2 反濾層的施工質(zhì)量要求

施工規(guī)范要求“反濾層厚度、鋪筑位置及反濾料的粒徑、級(jí)配、不均勻系數(shù)、含泥量等，均應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求”。對(duì)于已經(jīng)完成鋪設(shè)的反濾層應(yīng)實(shí)施成品保護(hù)，防止行人、車(chē)輛、雜物、污水等對(duì)其造成破壞。排水設(shè)施石料應(yīng)質(zhì)地堅(jiān)硬，并且具有良好的抗凍性、耐水性，抗壓強(qiáng)度及幾何尺寸也應(yīng)符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，確保反濾層結(jié)構(gòu)排水順暢。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)利用有限元計(jì)算方法，結(jié)合西院滯洪區(qū)一期工程湖底開(kāi)挖的實(shí)例求解坡岸在正常工況、施工工況以及防滲處理后工況下的滲流問(wèn)題，得到了三種工況下的滲流結(jié)果，能夠真實(shí)反映滲流實(shí)際情況，有限元滲流分析是求解坡岸及土石壩滲流的有效手段。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析能夠初步了解防滲措施的控制效果，結(jié)果標(biāo)明，在臨江側(cè)湖區(qū)駁岸設(shè)置反濾層的防滲措施能夠有效降低最大滲透出逸坡降，提升大壩的防滲能力。