围海造陆工程中的防渗研究

庄志农

（晋江市围头湾开发建设有限公司，福建 晋江 362200）

0 引言

当前国内围海造陆的建设项目比较多，在围填海整体布局上，采取人工岛式、分离式、多功能区块组合、曲折岸线形态等的新型围填海方式居多，如此会形成一定面积的内河（水域），如何保持内河（水域）的常水位，不受外海涨落潮影响，同时在一定程度上还能维持内外水体交换和海洋生态系统，成为围海造陆的研究新课题[1]。

福建省某典型的填海造陆工程，造地面积约42 km2，其中形成陆地面积33.64 km2，保留内水域面积8.5 km2（见图1），回填陆地标高为+4.3 m（85国家高程），水系包括内水域和内湖区，其中内水域设计底标高为-1.5 m，水面常水位高程为+1.5 m；内湖区设计底标高为-7.0 m，与外海通过口门连通，水位随外海潮位涨落而变化。为了形成常水位，在内水域连通外海的出海口建水闸将内水域与外海隔断。外护岸（包括水闸）是形成内水域常水位的重要防渗屏障，外护岸采用袋装砂被斜坡堤结构。陆地吹填材料分为砂、淤泥和混合料，均具有一定的透水性，渗流会造成内河水量损失，难以保证实现常水位要求，同时，渗透变形还会造成流土和管涌，因此，需通过防渗计算，考虑采用合适的防渗措施，将渗流流量控制在允许范围以内。

1 防渗专题研究内容

图1 工程平面布置图Fig.1 Layout of theproject

引起渗透破坏的内在因素是渗流的作用，需要通过计算分析或试验和探测来查明渗流场的分布。渗流控制的任务要求可概括为：控制水头或浸润线、渗流坡降或流速、渗流量三者在允许值的范围内[2]。结合本工程的特点，防渗研究的主要内容：确定防渗计算的边界条件和计算工况；进行无防渗措施下的渗流计算，论证发生渗透破坏的可能性，并获得渗流场水头分布、浸润线位置以及24 h的渗流量；分析拟定的防渗措施和方案；进行有防渗措施下的渗流计算，以渗透破坏和渗流流量为控制条件，确定防渗方案。采用ANSYS有限元软件对渗流进行计算，实际上，ANSYS软件中并没有渗流场分析功能，但鉴于渗流场与温度场具有极大相似性，在ANSYS分析中通常采用热分析功能对渗流进行模拟计算。分析中只需将温度场介质换成岩土介质，热传导系数换成渗透系数，温度换成渗透水头，热流速度换成渗流速度，边界条件相应地变为已知水头分布及渗流速度，即可采用温度场功能对渗流场进行分析计算[3]。

2 防渗计算工况和计算模型

1）正常工况：内河常水位1.5 m（85国家高程），外海按照多年平均潮位24 h过程线进行非稳定渗流计算，模拟正常潮位涨落情况，主要计算渗流流量，并得到内河水位随时间变化规律。多年平均潮位24 h对应外海潮位见表1。

表1 多年平均潮位24 h对应外海潮位Table1 The average annual tide level of open seasin 24 h

2）不利工况：内河水位1.5 m，外海按照20 a一遇低潮位-3 m进行稳定渗流计算，模拟可能出现的极端潮位。主要计算渗流场水头、流速以及渗透坡降的分布情况，判断发生渗流的主要区域，为采取有效的防渗措施提供依据。

3） 计算参数：原有陆域天然土层渗透系数k=1×10-5cm/s，陆地回填残积砂土渗透系数k=8×10-5cm/s，回填砂渗透系数k=1×10-2cm/s，回填粉质黏土渗透系数k=7×10-6cm/s，回填淤泥渗透系数k=3×10-7cm/s，闸门渗透系数k=1×10-8cm/s（赋予渗透系数极小值模拟不透水），防渗体渗透系数 k=1×10-7cm/s（渗透系数达到 1×10-7cm/s量级即可认为相对不透水）。

4） 计算模型：建立ANSYS三维实体模型，进行网格划分。

3 无防渗措施渗流计算分析

对渗流场水头进行不利工况下的稳定渗流计算，内河总水头1.5 m，外海总水头-3 m，渗流方向从内河流向外海。整个渗流场内水头成梯度变化，渗流从水头高处流向低处，在各闸门两侧水头变化梯度较大。

渗透坡降分析：无防渗措施情况下渗透坡降较大值出现在各个闸门的两侧，其次是在内湖区北侧的狭窄陆域，渗透坡降越大，渗流越集中，闸门两侧是渗流发生的主要区域；渗流流速较大值出现在2号闸门东侧、3号闸门西侧以及4号闸门西侧，最大流速1.75×10-5cm/s。本工程可能发生的渗透变形类型为管涌型，土体颗粒级配不连续，允许坡降值取0.1，经计算，整体渗流场内渗透坡降最大值为0.098，内湖区北侧的狭窄陆域渗透坡降值为0.015，均小于允许坡降，所以发生渗透破坏的可能性较小。

渗透流量分析：进行正常工况下30 d非稳定渗流计算，可得到内水域水位下降值，并得到内河水位变化规律[4]。在无防渗措施情况下，渗流量损失较大，导致内水域水位下降迅速，第1天水位下降14.9 cm，水位降至1.351 m；渗流发生5 d后内河水位基本稳定，保持在1.1 m左右，这是由于此时的内河水位与外海平均潮位基本持平，渗流流入和渗流流出相互抵消所致。

4 防渗方案的拟定

根据上述分析计算，2号闸门东侧、3号闸门西侧以及4号闸门西侧是渗流发生的重点区域，即是需要采取防渗措施的重点区域。考虑水平防渗措施的防渗效果只有垂直防渗措施的1/3左右，且本工程存在双向渗流，因此采用常规的混凝土垂直防渗墙，按照布置范围的不同分成4个防渗方案。在渗流主要区域即各闸门两侧设置长100 m的防渗体，以此定为A方案，A方案可以有效减小闸门两侧的集中绕渗，作为建议必做方案。在渗流重点区域即2号闸门东侧、3号闸门西侧以及4号闸门西侧分别设置长200 m、400 m、600 m的防渗体，以此定为B1、B2、B3方案，此方案可以进一步增大渗流路径，减小渗流量。

5 防渗方案计算分析

对渗流场水头进行不利工况下的稳定渗流计算，有防渗措施的情况下防渗体改变了闸门两侧的水头分布，渗流路径随防渗体的增长而变长，防渗效果也随之更好。

渗透坡降分析进行不利工况下的稳定渗流计算，防渗体可以有效减小闸门两侧的渗透坡降值，防渗体越长防渗效果越明显。

对渗流流速进行不利工况下的稳定渗流计算，有防渗措施的情况下，防渗体可以有效减小闸门两侧的绕渗，通过增加渗流路径长度来减小渗流流速值。A方案最大流速2.77×10-6cm/s；B1方案最大流速2.27×10-6cm/s；B2方案最大流速1.89×10-6cm/s；B3方案最大流速1.50×10-6cm/s，都比无防渗方案明显降低。

渗流流量分析结果：A方案第1天水位下降10.1 cm，B1方案第一天水位下降7.9 cm，B2方案第1天水位下降5.1 cm，B3方案第1天水位下降3.8 cm。防渗体长度越长，防渗范围越广，则防渗效果越好。相比较无防渗情况，A方案及B1、B2、B3方案内河达到稳定水位所需的时间也依次延长，A方案第7天水位降至1.134 m，B1方案第7天水位降至1.189 m，B2方案第7天水位降至1.238 m，B3方案第7天水位降至1.282 m。

6 结语

根据无防渗工况下的渗流场水头、渗透坡降及渗流流速分析，确定了各闸门两侧为渗流发生的主要区域，2号闸门东侧、3号闸门西侧以及4号闸门西侧为渗流发生的重点区域，在此区域采用垂直防渗措施，并根据防渗范围分为4个防渗方案。综合分析，A方案可以有效减小闸门两侧的集中绕渗，为建议必做方案。具体防渗措施需根据内河水位计算结果，并结合内河常水位要求及换水方案来确定经济合理的防渗方案。