岸坡水平排水孔的渗流场数值模拟

李少龙,朱国胜, 定培中, 吴庆华, 盛小涛

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

岸坡水平排水孔的渗流场数值模拟

李少龙,朱国胜, 定培中, 吴庆华, 盛小涛

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

地下水作用是岸坡稳定性的重要影响因素，在航道岸坡整治工程中，岸坡排水设施必不可少。水平排水孔可以有效排出岸坡土体内部地下水，降低地下水水位。通过三维非稳定渗流数值模拟，分析了岸坡水平排水孔的排水效果。首先，对排水孔室内模型试验进行了数值模拟，结果表明数值模拟结果与试验结果较为一致，坡体中地下水向水平排水孔汇集并排出坡体；之后，对典型岸坡渗流场进行了数值模拟，其结果表明，水平排水孔的排水效果较为明显，可以加深对于渗流场的控制范围，孔深越大，排水效果越好。研究成果可为水平排水孔在航道整治工程的应用提供参考。

水平排水孔；岸坡；地下水；渗流场; 数值模拟；可拆换式过滤体

1 研究背景

地下水作用是岸坡稳定性的主要影响因素之一。适当布置排水设施，实现渗流场的有效控制，往往是岸坡工程加固处理的重要内容。近年来航道部门在实际应用中一般在坡面采用倒“Y”形盲沟进行排水。根据工程经验[1-3]，采取深入岸坡土体的水平排水孔进行排水，可以加速坡体深部地下水的排出，促进岸坡稳定。文献[4]提出了水平排水技术，从坡面以小角度仰角向坡内凿孔，再插入塑料排水管，并在管外包土工布以起到反滤作用，水平排水孔的过滤体是可拆换式的，便于维护。

本文通过三维非稳定渗流数值模拟方法，对水平排水孔室内模型试验进行了对比模拟，同时对工程岸坡渗流场分布及其变化规律进行模拟，分析了岸坡水平排水孔的排水效果，为水平排水孔在航道整治工程的应用提供参考。

2 水平排水孔室内试验的数值模拟

朱国胜等[5]通过室内物理模型对水平排水孔的排水效果进行了试验研究，本文选取有、无排水孔2个典型试验方案开展数值模拟。

2.1 室内模型试验概况

室内模型箱尺寸为：长100 cm，宽80 cm，高100 cm。模型底面和边坡坡面对应的模型侧面为透水边界，采用多孔板模拟，便于施加试验水头，模型顶面与大气连通，其它模型箱体侧面均为隔水边界。模型箱内土层结构为粉质壤土夹砂壤土，级配曲线如图1所示。粉质壤土和砂壤土的干密度分别为1.36 g/cm3和1.35 g/cm3，各土层为水平分层填筑，水平排水孔安装在砂壤土层中，安装角度为向坡脚倾斜5°，排水孔花管段长度60 cm，内径2.9 cm。

图1 室内试验土料级配曲线Fig.1 Grading curves of soils for indoor test

为了动态监测试验过程中土层地下水位变化情况，在砂壤土层中埋设4支测压管，编号分别为1#，2#，3#，2-1#，其中1#，2#,3#同侧且距模型中心剖面20 cm，而2-1#在模型中心剖面另一侧距离为5 cm；在上部粉质壤土层中埋设2支测压管，编号为4#，5#，布置在模型中心剖面上，如图2所示。

图2 室内模型试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of indoor test model

为了尽量减小水位数据滞后影响，采用垂直观测孔直接测量土体中水位，选取内径为1.6 cm的PPR管作为测压管，用电测法进行测量。将土体装填和监测仪器埋设好后，不断抬升模型箱边界水位，使土体达到饱和状态，然后按设定的水位降速降低水位，在整个试验过程中，观测并记录测压管读数。

图3 室内物理模型 有限元网格Fig.3 Finite element meshes of the test model

2.2 数值模型

根据水平排水孔室内

模型试验条件，采用三维饱和-非饱和非稳定渗流数值方法进行模拟[6-8]。有限元网格如图3所示。

将排水孔直接剖分，排水孔口按实际尺寸等周长处理为四边形。试验过程中，模型水位不断变化，排水孔边界条件同步调整，当模型水位高于水平排水孔时，孔腔内充满水，此时将排水孔边壁作为水头边界，取模型水位；当模型水位低于水平排水孔时，孔内不充水，此时将排水孔边壁作为出逸边界；当模型水位在水平排水孔的顶端和低端高程之间时，部分孔段充水，对模型水位以下的孔段边壁按上述第1种方式处理，对模型水位以上的孔段边壁按上述第2种方式处理。

根据试验土样的颗粒组成及渗透性等测试结果，计算参数如表1所示。在模型水位下降过程中，坡体土层由饱和状态变为非饱和状态，表1中的α，n，θr，θs均为非饱和VG模型的参数，Ks为饱和渗透系数。计算方案如表2所示，进行了有、无水平排水孔的对比。

表1 试验土样渗流计算参数Table 1 Parameters of test soil for seepage calculation

表2 室内试验的数值模拟方案Table 2 Calculation schemes of laboratory test

2.3 数值模拟分析

对室内模型试验进行数值模拟，可以相互对比和验证，能较直观地比较两者在观测点的数据，同时数值模拟还可以给出渗流场分布情况。从各组试验中各观测孔的水位动态变化规律来看，计算结果与实测数据的变化趋势一致，数值模拟效果较好。图4为计算方案F1-2部分观测孔的计算结果与实测数据的比较。

图4 计算方案F1-2的计算结果与实测数据比较Fig.4 Comparison between simulation result (scheme F1-2) and measured data

将计算方案F1-1和F1-2的浸润线下降过程绘于图5，比较有、无排水孔的浸润线下降过程。

图5 有无排水孔的浸润线下降过程比较Fig.5 Drawdowns of phreatic line in the presence and in the absence of drainage holes

由图5(a)可见，随着模型水位下降，坡体内浸润线逐步降低；在下降初期，2个计算方案的浸润线分布差异不大，当模型水位下降至排水孔埋设土层中时，有水平排水孔方案的浸润线明显低于无排水孔方案，表明水平排水孔具有明显的排水效果。由图5(b)可见，当模型水位下降至排水孔埋设土层中时，纵剖面上无水平排水孔方案的浸润线平直，而有水平排水孔方案的浸润线出现了类似降落漏斗，这是由水平排水孔的排水作用而产生的，同时也说明水平排水孔的排水作用明显。由于在模型水位下降过程中，排水孔与模型水位连通，水平排水孔将边坡水位的动态变化传导至排水孔沿线，在模型水位下降后，水平排水孔中水位将随之迅速降低，使坡体中地下水向水平排水孔流动汇集，从而通过水平排水孔排泄出土体。

室内试验结果[5]及其数值模拟表明，采用水平排水孔措施后，坡体中地下水向水平排水孔汇集并排出坡体，水平排水孔降低了坡体的浸润线，具有较好的排水作用。

3 岸坡水平排水效果的数值模拟

长江中游荆江航道整治工程中包含高滩守护工程和护岸加固工程，其功能主要是守护高滩滩缘岸线稳定，遏制航道边界冲刷崩退，保持航道条件稳定。在航道整治工程中拟对水平排水孔开展试验性应用。结合工程试验段岸坡条件进行渗流数值模拟，分析水平排水孔的排水效果，为水平排水孔的布设提供依据。

3.1 数值模型

选取典型地质剖面，通过岸坡三维饱和-非饱和非稳定渗流模型，进行数值模拟。多层结构地层的计算模型地层概化见图6。计算模型顶部取至护坡顶高程39.0 m。由于覆盖层较厚，钻孔没有揭露基岩，计算模型底部边界取高程0.0 m。考虑排水措施的对称性，计算模型沿河道方向的距离取拟定排水孔间距的1/2,即2.5 m。

图6 渗流计算模型概化Fig.6 Sketch of generalized seepage calculation model

江水淹没的坡面为已知水头边界，在江水水位降落过程中，已知水头边界的范围随江水水位变化进行同步调整，其余坡面为可能出逸边界。江水水位条件概化为：从护坡顶39.0 m匀速降落至枯水平台31.6 m，降落速度为0.1 m/d。非稳定渗流初始条件为坡体完全饱和，坡体初始水位为39.0 m，与江水降落前的高水位相同。

该计算模型地层主要分布有粉质黏土和粉细砂，其渗透系数分别取值1.0×10-5cm/s和1.0×10-3cm/s，土-水特征曲线如图7所示，采用VG模型进行描述。

图7 土体的土-水特征曲线Fig.7 Soil-water characteristic curves of slope soils

3.2 数值模拟分析

计算方案主要考虑了试验段有、无水平排水措施的对比及排水孔不同孔深的对比等，如表3所示。

表3 水平排水孔作用效果分析计算方案Table 3 Schemes for the calculation of horizontal drainage effect

计算方案F2-1为不考虑排水措施的天然工况。该工况下坡体浸润线降落过程见图8，图中给出了江水位降落第10，30，50，74天时浸润线位置。从图中可以看出，随着江水位的下降，岸坡土体的浸润线呈一定坡度缓慢下降，浸润线形态有一定上凸，距离岸坡越远，地下水位越高。在水位降落过程中，岸坡上始终有一定的出逸段，江水位降落越大，出逸段越长。

图8 天然岸坡浸润线降落过程Fig.8 Drawdown of phreatic line in natural slope in the absence of drainage holes

图9是江水降落至枯水平台时岸坡渗流场饱和区等势线分布图。从图9中可以看到，坡体地下水向长江排泄，越靠近长江，地下水水位越低。在透水性较强的粉细砂层中水头等值线接近竖直向，表明粉细砂层中的地下水主要通过水平方向向坡面排泄;而粉质黏土层中水头等值线越往坡体内部越接近于水平分布。这是由于粉质黏土层饱和渗透系数比粉细砂层饱和渗透系数小，粉细砂层渗透性较强，通过坡面排泄；粉细砂层中水头降低较快，因此坡体内部粉质黏土层中的水压力可以通过下部粉细砂层消散，从而形成了透水性较强的土层中水头等值线接近竖直向，坡体内部透水性弱的粉质黏土层中接近于水平向的水头等值线分布特征。

图9 江水位下降第74天时天然岸坡等水头线分布Fig.9 Contours of hydraulic head in natural bank slope on the 74th day of river water drawdown

图10是有、无水平排水孔条件下的坡体浸润线位置比较(方案F2-2和方案F2-1)。从图10中可以看到，当江水位下降至水平排水孔所在土层时，有水平排水孔方案的浸润线明显低于无排水孔方案的浸润线，说明水平排水孔发挥了排水作用。当江水位下降至枯水平台时，多层结构地层中的浸润线下降较慢，浸润线与排水孔相交，水平排水孔仍然在发挥排水作用。坡体浸润线的差异主要发生在水平排水孔附近土体区域，表明水平排水孔对其附近土体的排水作用是非常明显的，有一定的作用范围。

图10 有、无水平排水孔的坡体浸润线位置比较Fig.10 Comparison of the location of phreatic line of bank slope in the presence and in the absence of drainage holes

为了便于分析不同孔深的水平排水孔的排水效果，选取2个特征点a和b。特征点a处于坡体较深的部位，位于15 m深排水孔在边坡内的端口附近;特征点b处于坡体浅部，位于排水孔出口附近，均位于2个相邻排水孔的对称剖面上。特征点所在剖面是距离水平排水孔最远的剖面，位于2个相邻排水孔之间，也是排水孔作用较弱的剖面。给出这2个点相对无排水孔方案的压力水头降低值，如表4所示。

表4 各方案的特征点压力水头降低值Table 4 Reduces of pressure head of characteristic points

由表4可知：

(1) 有水平排水孔方案的孔隙压力水头均比相应无水平排水孔方案的低，说明水平排水孔起到了较好的排水降压作用。

(2) 在水平排水孔的作用下，坡体深部土体的压力水头降低幅度大于坡体浅部土体，说明设置水平排水孔有利于土体深部地下水的排出；同时孔深越大，孔压降低幅度也越大，表明孔深越大，水平排水孔的排水能力越强。

4 结 论

(1) 江水位降落期岸坡地下水的疏干是一个非稳定渗流过程，水平排水孔等工程措施作用下的渗流场具有空间变化特点。本文以三维非稳定渗流场的数值模拟作为研究方法，可以较为准确地分析水平排水孔的排水效果。

(2) 对水平排水孔的室内模型试验方案进行了数值模拟，表明数值模拟结果与试验实测结果吻合较好，采用水平排水孔后，坡体中地下水向水平排水孔汇集并排出坡体，水平排水孔降低了坡体的浸润线，具有较好的排水效果。

(3) 对典型多层结构岸坡进行了渗流计算分析，结果表明水平排水孔的排水效果较为明显，可以加深对于渗流场的控制范围。孔深越大，水平排水孔排水效果越好，在工程应用中可根据经济性、施工等方面进行合理选择。

本次研究仅对单层水平排水孔措施进行计算分析。采用分层布置排水孔，以及在江水位涨落长期作用下的岸坡排水效果，尚需进一步的研究。

[1] 唐晓松，郑颖人，刘 亮，等. 水平排水孔在岸坡治理工程中的应用[J]. 重庆大学学报, 2010, 33(4): 80-87.

[2] 胡启芳. 采用水平排水孔治理滑坡的探讨[J]. 公路与汽运，2009, (4): 142-144.

[3] 林建东, 董夫钱. 水平降排水技术在滑坡治理中的应用[J]. 探矿工程, 2006, 33(4): 38-40.

[4] 定培中，周 密，张 伟，等. 可拆换过滤器在排水管井中的应用[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(增1): 94-98.

[5] 朱国胜, 李少龙, 吴庆华. 荆江河段岸坡排水关键技术数学模型及试验研究[R]. 武汉：长江科学院, 2016.

[6] 毛昶熙. 渗流计算分析与控制[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2003.

[7] 张家发. 三维饱和非饱和稳定非稳定渗流场的有限元模拟[J]. 长江科学院院报, 1997, 14(3): 35-38.

[8] 张家发, 张 伟, 王金龙. 防渗墙作用下堤防保护区地下水动态数值模拟分析Ⅱ：多元结构堤基条件下的数值模拟[J]. 长江科学院院报, 2007, 24(2): 34-38.

(编辑：黄 玲)

Horizontal Drainage Holes in Bank Slope:Numerical Simulation of Seepage Field

LI Shao-long, ZHU Guo-sheng, DING Pei-zhong, WU Qing-hua, SHENG Xiao-tao

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China)

Groundwater is an important influential factor of bank slope stability, and drainage facility for bank slope is necessary in waterway regulation project. Horizontal drainage holes could effectively reduce groundwater level by draining away the water of deep soils. The drainage effect of horizontal drainage holes in bank slope is studied by means of three-dimensional transient seepage numerical simulation. The numerical result agrees with indoor model test result. The groundwater of slope converges to horizontal drain and drains away from slope. Simulation of characteristic real bank slope shows that the drainage effect of horizontal drain for bank slope is apparent, and the control region of seepage field is enlarged. The deeper the drainage hole is, the better the drainage effect is. The research results could provide references for the application of horizontal drainage holes in waterway regulation engineering.

horizontal drainage holes; bank slope; groundwater; seepage field; numerical simulation; replaceable filter

2016-07-01；

2016-08-30

李少龙(1979-)，男，湖北嘉鱼人，高级工程师，博士，主要从事渗流及地下水环境方面的研究，(电话)027-82927243(电子信箱)lisl3000@163.com。

10.11988/ckyyb.20161070

TV223.4

A

1001-5485(2017)02-0089-05

2017,34(2):89-93