劉小婧

(志丹縣水務(wù)局地下水監(jiān)督監(jiān)測(cè)管理站，陜西 志丹 717500)

近年來(lái)，海綿城市的概念開(kāi)始進(jìn)入大眾視野，獨(dú)特的設(shè)計(jì)使海綿城市對(duì)環(huán)境和氣候變化有著良好的適應(yīng)性，還能高效靈活地應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨等災(zāi)害，所以海綿城市的理念逐漸在城市建設(shè)中推廣開(kāi)來(lái)。建設(shè)處在山區(qū)或多丘陵地區(qū)的海綿城市時(shí)，平整場(chǎng)地需要配合大量的土石填方工程，因此需要一種既能保證排洪排澇，又可以減輕土石填方對(duì)地下水流動(dòng)產(chǎn)生干擾作用的河道結(jié)構(gòu)。這樣的背景下，提出了雙層河道這種新型河道結(jié)構(gòu)，雙層河道分為上、下2層，上層河道一般為明渠，用來(lái)調(diào)節(jié)城市河流和地表水水情，下層河道為具有一定透水能力的箱涵或管道，用于排出滲流。土石填方區(qū)域的滲透能力是影響雙層河道使用效果的關(guān)鍵因素，因此本文將研究重心放在雙層河道的滲流特性上[1- 5]。

在雙層河道的建設(shè)中，是否在上層明渠設(shè)置防滲設(shè)施，或是在下層箱涵設(shè)置排水設(shè)施，以及如何解決邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，同時(shí)將結(jié)構(gòu)的沉降變形控制在一定范圍內(nèi)，都是雙層河道建設(shè)過(guò)程中的重點(diǎn)研究問(wèn)題，而填方體的滲流情況又是影響這些問(wèn)題的關(guān)鍵[6- 8]。鑒于此，本文將運(yùn)用軟件spaw來(lái)建立志丹縣海綿城市雙層河道模型，在同一設(shè)計(jì)洪水位下展開(kāi)不同工程設(shè)施對(duì)河道滲流特性影響的研究。

1 模型及工況

填方體的孔隙比和滲透系數(shù)等參數(shù)對(duì)滲流的影響較大[9- 11]，本模型所有填方區(qū)域均采用同一材料，材料的具體物理參數(shù)見(jiàn)表1。具體的計(jì)算思路如下：

(1)在spaw軟件中建立雙層河道的平面模型，設(shè)置填方體的材料屬性，并將整個(gè)計(jì)算域定義為飽和狀態(tài)。

(2)在明渠內(nèi)施加水壓力，地下水位與箱涵頂部齊平，spaw開(kāi)始計(jì)算模型各網(wǎng)格點(diǎn)的孔隙水壓力，連接所有孔隙水壓力為零的網(wǎng)格點(diǎn)構(gòu)成界面。追蹤并連接孔隙水壓力相等的網(wǎng)格點(diǎn)形成孔隙水壓力等值線圖。

表1 填方體材料參數(shù)

1.1 有限元模型

軟件spaw建立的典型雙層河道模型如圖1所示。雙層河道兩側(cè)的回填高度達(dá)到20m，上層明渠堤身高度為5m，明渠兩側(cè)的邊坡率取1∶2，明渠段防滲設(shè)置為全斷面防滲，下層的箱涵凈空尺寸為5m×5m，砌筑結(jié)構(gòu)厚度為1m，頂側(cè)設(shè)置0.1m×0.1m的排水孔并呈梅花型布置，間距設(shè)置為1.5m，箱涵的側(cè)墻排水孔位于距箱涵頂部1.5m處，明渠和箱涵的中心線重合。

計(jì)算域尺寸為30m×30m，水流來(lái)流方向垂直于斷面，來(lái)流方向的左右兩側(cè)以及計(jì)算域的底部為不透水邊界，上層明渠的邊坡以及河床為透水邊界，防滲土工膜布置在該處，下層箱涵設(shè)有排水孔，滲流通過(guò)排水孔進(jìn)行流量交換，且流量交換為負(fù)值，其余邊界均為不透水邊界。

圖1 模型示意圖

1.2 工況設(shè)置

為研究上層防滲設(shè)施及下層排水孔的設(shè)置對(duì)模型滲流結(jié)果的影響[12- 15]，設(shè)置4種工況來(lái)展開(kāi)計(jì)算。工況1：在上下兩層均不設(shè)置防滲措施或排水孔；工況2：僅在下層設(shè)置排水孔；工況3：僅在上層設(shè)置防滲土工膜；工況4：在上層設(shè)置防滲土工膜，下層設(shè)置排水孔。各工況下的工程措施及計(jì)算水深見(jiàn)表2。

表2 不同工況的工程措施及邊界條件 單位：m

2 靜水位下的滲流計(jì)算結(jié)果

2.1 工況1

孔隙水壓力在河流縱向上基本保持一致，滲流場(chǎng)的變化主要發(fā)生在橫斷面上，所以該二維模型只計(jì)算河道橫斷面上的滲流結(jié)果，如圖2所示。當(dāng)上層明渠未設(shè)置防滲設(shè)施時(shí)，在設(shè)計(jì)洪水位下，由于水流不能快速順河道排出而產(chǎn)生了向下的滲流，因此在土石填方內(nèi)部出現(xiàn)了地下水位頂托滲流現(xiàn)象，下層的箱涵四周孔隙水壓力增大，而且模型的最大正孔隙水壓力出現(xiàn)在箱涵的周圍，孔隙水壓力等值線繞箱涵呈拋物線，孔隙水壓力隨埋深的降低而不斷減小，孔隙水壓力在計(jì)算域的兩側(cè)頂部達(dá)到最大負(fù)壓力。

圖2 工況1孔隙水壓力分布圖(單位：kPa)

圖3 工況1滲流路徑示意圖

圖3為工況1下的滲流路徑示意圖，可以看出，設(shè)計(jì)洪水位作用下，上層明渠的水流不斷向下滲流，而箱涵由于無(wú)排水設(shè)施，其周圍產(chǎn)生了明顯的繞流現(xiàn)象，水流由模型底部向外滲流而出，地下水受明顯影響。

2.2 工況2

由圖4可以看到，當(dāng)上層的明渠未設(shè)置防滲設(shè)施時(shí)，在設(shè)計(jì)洪水位影響下，土石填方內(nèi)的滲流量更大，同樣產(chǎn)生了地下水位頂托滲流，雖然下層箱涵設(shè)置有排水設(shè)施，但是土石填方體的滲流量遠(yuǎn)大于箱涵排水孔的排水能力，因此孔隙水壓力等值線圖在箱涵附近有凹向排水孔的趨勢(shì)。箱涵頂部的孔隙水壓力較小而兩側(cè)以及模型底部的孔隙水壓力達(dá)到最大正壓力，在明渠附近的孔隙水壓力比較小，明渠兩側(cè)孔隙水達(dá)到了最大負(fù)值。

圖4 工況2孔隙水壓力分布圖(單位：kPa)

圖5 工況2滲流路徑示意圖

由圖5可知，由于工況2在箱涵處設(shè)置有排水孔用來(lái)排水，因此箱涵周圍沒(méi)有出現(xiàn)繞流的現(xiàn)象，而且部分滲流能通過(guò)箱涵的排水孔流出，但箱涵排水孔的排水量比較小，而計(jì)算域的總滲流量較大，所以仍有相當(dāng)一部分滲流由模型的兩側(cè)流出。

2.3 工況3

如圖6所示，當(dāng)模型僅在明渠底部設(shè)置防滲土工膜，而不考慮箱涵排水孔作用時(shí)，模型地下水位托頂滲流現(xiàn)象幾乎沒(méi)有發(fā)生，位于地下水位以上的土石填方體出現(xiàn)了大范圍負(fù)壓區(qū)，明渠底部出現(xiàn)了閉合孔隙水壓力等值線，其數(shù)值為負(fù)，模型的總滲流量大幅減小。箱涵周圍的孔隙水壓力等值線出現(xiàn)彎曲，其彎曲程度明顯小于工況1和工況2的結(jié)果，在地下水位以下的等值線基本保持平行，地下水未受到明顯影響，說(shuō)明防滲土工膜的單獨(dú)作用效果比箱涵排水孔的效果好。

圖6 工況3孔隙水壓力分布圖(單位：kPa)

圖7 工況3滲流路徑示意圖

由圖7可知，在防滲土工膜的影響下，土石填方體內(nèi)的滲流路徑向計(jì)算域中心集中，各條滲流路徑隨埋深的增加先后出現(xiàn)了大于等于90°的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而且從計(jì)算域流出的滲流路徑也更加集中。箱涵周圍的滲流路徑均繞過(guò)箱涵向計(jì)算域兩側(cè)發(fā)展。

2.4 工況4

工況4計(jì)算的是防滲土工膜和箱涵排水孔共同作用下的滲流結(jié)果，可以看出，圖8的孔隙水壓力分布情況與圖6類似，但圖8的的孔隙水壓力絕對(duì)值普遍較低，明渠下方負(fù)壓區(qū)的孔隙水壓力絕對(duì)值較小，負(fù)壓區(qū)面積也更大，箱涵周圍等值線的突起程度稍高。造成這一結(jié)果的主要原因是：防滲土工膜大幅減小了總滲流量，土石填方體內(nèi)的水流又能很快的從箱涵排水孔排出，進(jìn)一步減小計(jì)算域內(nèi)的滲流量。

圖8 工況4孔隙水壓力分布圖(單位：kPa)

圖9 工況4滲流路徑示意圖

從圖9可以發(fā)現(xiàn)，滲流路徑的數(shù)量較少，越往計(jì)算域中間，滲流路徑越集中，其間距越小，計(jì)算域中間的滲流路徑豎直向下發(fā)展，最后由箱涵頂部和兩側(cè)的排水孔流出，未對(duì)地下水產(chǎn)生影響，計(jì)算域兩側(cè)的滲流路徑都朝著左、右兩個(gè)出流點(diǎn)發(fā)展，未對(duì)地下水水位造成太大影響，地下水水位基本與箱涵側(cè)排水孔齊平。

3 結(jié)論

本文以陜西志丹縣海綿城市典型雙層河道模型為對(duì)象，研究了不同工程措施影響下模型孔隙水壓力分布和滲流路徑的發(fā)展情況，得到以下結(jié)論。

(1)考慮單一工程措施時(shí)，防滲土工膜對(duì)滲流量的削減作用優(yōu)于排水孔，因?yàn)榉罎B土工膜能從源頭上減少總滲流量，而排水孔主要是作為輔助工程使用，其本身的作用并不突出。

(2)模型同時(shí)采用防滲土工膜和排水孔工程措施時(shí)的防滲、排水效果最佳，孔隙水壓力最小，滲流路徑更合理。

受計(jì)算資源的限制，本文僅計(jì)算了雙層河道二維模型的滲流情況，如若能展開(kāi)三維仿真模擬，分析滲流在河道橫縱方向的發(fā)展，其結(jié)果將具有更高的應(yīng)用價(jià)值。