某分洪道堤防渗流特性及减压井布置方案研究

张 华,沈振中,李琛亮

(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098)

分洪道堤防是防洪工程体系的基础,是完成分洪任务、确保人民生命财产安全的重要屏障。但由于堤防轴线位置多系历史形成和河势引导所致,不能随意选定防渗条件好的堤址,因此多数堤防修建在含有深厚透水层或软土层的冲积平原上,这就导致堤防的堤基存在某些构造特征或缺陷(如缺乏可靠的渗流控制措施),这些构造和缺陷是汛期产生险情的主要原因[1]。因此,在堤防建设或加固工程中,掌握堤身及地基的渗流特点,采用合理的渗流控制措施是确保堤防安全度汛的重要前提。某分洪道工程位于江苏省扬州市,是该城市防洪的重点工程之一。拟建的分洪道是古运河、仪扬河流域的主要排洪通道之一,为南北走向,北接仪扬河,南通长江,全长8.24km。该分洪道工程所处地区地基为双层地基,是由表层弱透水性粉质壤土和下卧中等透水性砂壤土层组成的二元结构。其典型断面土层分布如图1所示,其中A层和B层土体的渗透系数较小,C层和D层土体及堤体材料的渗透系数相对较大。由于该分洪道大部分工段为平地开河,在开挖过程中极易将弱透水性土层全部或大部挖除,使分洪道内水流直接进入下卧中透水性土层,从而在汛期堤外弱透水层下形成削减慢的高承压水头。由于天然或人为因素,一般表层弱透水性土层厚薄不均,抗渗强度大小不等,在堤后背水侧往往有取土坑形成的水塘、湖泊或低洼地。因此,在汛期高水位的长期作用下,弱透水性土层的薄弱处有可能被承压水顶穿,形成集中出水口,发生管涌或流土。近几年来的研究表明,此类二元结构堤基存在“渗而不流”的现象,即具有水头损失小、渗流速度慢、与江河水联系密切、汛期承压水头高且范围大等四大特征,需重视堤后排水,尽量让水流动起来[2]。本文根据该分洪道工程的实际情况,选择典型的二元结构堤段,应用三维渗流有限元法对该分洪道堤防渗流特性进行分析,并考虑减压井工程措施,确定了减压井的布置方案,供设计参考。

图1 分洪道典型断面地层分布(单位:m)

1 有限元模型

1.1 有限元网格

根据分洪道的实际情况和特点,选取分洪道试验段典型区段50m建立有限元模型。按渗流计算的一般原则,模型范围应是计算水头的2倍以上。由于此工程汛期水头仅有4.4m,为充分展现该工程渗流区的特性,故东西岸边界均截取至排水沟的边界向外 50m。另外,底边界截取至底高程-40.00m,顶边界按堤防设计形状和地形选取。堤顶设计高程为8.00m,东堤顶宽6m,西堤顶宽5m,东西两堤内外堤坡及戗台边坡坡比均为1∶3,戗台顶高程为5.00m,宽为4 m。计算坐标系规定如下:取X轴垂直于分洪道中心线,东岸指向西岸为正;Y轴平行于分洪道中心线,上游指向下游为正;Z轴为垂直方向,向上为正,与高程一致。

在综合分析计算区域内地形地质特征的基础上,按实际情况模拟堤防的主要结构,形成三维超单元网格。三维超单元网格的结点总数为448个,超单元总数为108个。加密细分后形成三维有限元网格,生成的有限元网格结点总数为71565个,单元总数为68292个。计算模型有限元网格如图2所示。

图2 有限元网格(单位:m)

1.2 边界条件

在进行洪水期渗流分析时,考虑稳定渗流,采用求解无压渗流固定网格的截至负压法来进行计算分析[3-4]。稳定渗流分析的边界类型主要有已知水头边界、出渗边界及不透水边界3种,即:①已知水头边界包括分洪道水位以下的河堤堤岸、河道底以及水平截取边界中地下水位以下的部分;②出渗边界为分洪道水位以上的左、右岸分洪道堤面以及排水沟和地面,此外还有地下水位以上的截取边界;③不透水边界为模型的底边界。

2 计算参数

根据资料,堤址区各地层的渗透系数分别如表1所示。

表1 堤址区各地层的渗透系数

3 渗流场特性分析

考虑分洪道洪水期最不利工况,即分洪道内上游水位7.20m,堤外下游水位2.80m(地下水位),典型断面位势分布如图3所示。可见,由于分洪道地基土C层和D层的渗透系数较大,堤体和表层土A层和B层的渗透系数较小,因此,浸润面在堤体入渗点附近降落最为明显;其次是在堤后排水沟附近,这部分渗透坡降较大。在河床底部的地层中,等势线基本是均匀分布的;在渗流出口处(排水沟附近)等势线较为密集,该处水头损失较大。究其原因,在开挖河道过程中该断面弱透水性地层A及地层B被挖除,相对于地层C而言,地层A和地层B本来可起“铺盖”作用,显著地削减水头,减小渗流出口附近的渗透坡降。而在该断面上,地层C失去了地层B的保护,水头损失主要由渗透系数较大的地层C来承担,因此,渗流出口处(排水沟附近)的渗透坡降较大。同样原因也使得该断面东西岸的渗透坡降差别较大。因为东岸地层B的厚度较小,而西岸地层B较厚(见图1),因此东岸排水沟附近的渗透坡降较西岸大。

图3 分洪道水位7.20m时典型断面位势分布(单位:m)

当分洪道水位上升到最高洪水位7.20m时,东岸排水沟附近的最大渗透坡降约为0.957。由地质资料可知,该断面排水沟附近的土层的允许渗透坡降为0.80～0.86,因此,洪水期该区段的渗透坡降不能满足要求。

4 减压井布置方案

为了降低渗流出口附近的渗透坡降,防止发生管涌和流土,考虑采取减压井工程措施[5-6]。近几年可拆换过滤器的减压井已在长江中游的荆南江堤应用,减压井的淤堵问题得到了较好的解决[7]。本文计算不考虑减压井淤堵工况,认为其充分排水,主要研究其布置方案。为了确定减压井的布置方案并构造合理的减压井排渗系统[8],人们进行了大量的测试计算和分析,包括间距和横剖面上的位置等,这里仅列出部分情况。减压井在横剖面上的布置如图4所示,其不同间距的计算工况如下:工况编号JYJ-1,JYJ-2,JYJ-3,JYJ-4,JYJ-5对应的沿堤轴线方向间距分别为20m,15m,13m,12m,10m,各工况井底高程均为-10.00m,井截面尺寸均为1.0m×0.5m(长×宽)。减压井的深度设定为穿透地层B进入下卧地层C约3.5m,拟采用的减压井直径为80cm。考虑建模方便,将减压井横断面简化为长方形,面积与圆形相等。

图4 减压井在横剖面上的位置(单位:m)

4.1 设置减压井时的位势分布

不同减压井布置方案对应的主要计算成果如表2所示。表2中位势差是指排水沟剖面上同一高程减压井和两相邻减压井中间位置的位势差值。部分工况减压井剖面和两相邻减压井中间剖面的位势分布如图5～6所示。

从部分工况减压井剖面和两相邻减压井中间剖面的位势分布(图5～6)来看,由于减压井的作用,在减压井剖面上,排水沟附近的渗透压力明显降低;而在两相邻减压井中间的剖面上,排水沟附近的渗透压力最大。渗透压力沿堤轴线方向的分布呈现峰谷交替的波浪状。以减压井间距20m为例,减压井之间排水沟剖面的位势分布如图7所示,其峰和谷的位势差值(西岸)为0.88m。减压井的间距越大,此位势差值越大。表明离减压井越远其减小渗透压力的作用越弱。从不同间距布置方案的计算成果来看,该条件下减压井的影响半径在7 m以下。

图5 间距20m减压井剖面位势分布(单位:m)

图6 间距20m相邻减压井中间剖面位势分布(单位:m)

图7 减压井间距20m时排水沟剖面的位势分布(单位:m)

4.2 减压布置方案

从各布置方案的计算成果来看,减压井剖面排水沟附近的渗透坡降最小,两相邻减压井中间剖面排水沟附近的渗透坡降最大。渗流出口附近最大渗透坡降随减压井间距的变化如图8所示。

图8 渗流出口附近最大渗透坡降随减压井间距的变化

由地质资料可知,地层B土体的允许渗透坡降约为0.8。因此,采取减压井作为减小渗透压力的工程措施,减压井的间距不能超过15m。 建议取减压井的间距为12m,井径为0.8 m,底高程为-10.00m,沿堤岸边坡排水沟布置。

5 结 语

根据稳定渗流基本理论,采用等效连续介质模型建立某分洪道典型区段的三维有限元模型,分析了堤体及地层的渗流特性,在渗透坡降超出允许值的情况下,采用减压井措施,并通过计算确定合理的减压井间距。

a.在开挖分洪道过程中,部分区段弱透水性地层全部或部分被挖除。这些区段失去了表面弱透水地层的“铺盖”作用,使得下卧中等透水性地层直接面临分洪道内的洪水,从而导致渗流出口(排水沟附近)的渗透坡降增大,超出了相应土体的允许渗透坡降。

b.采取减压井作为减小渗透压力的工程措施,减压井间距应不超过15m。建议取减压井的间距为13m,井径为0.8m,底高程为-10.00m,沿堤岸边坡排水沟布置。此时最危险剖面的最大坡降可减小至0.60以下。

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