基于饱和—非饱和渗流理论对渠堤进行渗流分析计算

付月丹

【摘要】本文基于饱和-非饱和渗流理论，建立渠堤边坡二维渗流模型，利用Geo-Studio的SEEP/W进行渗流分析计算。根据计算结果，得出渗流速度、渗透坡降，渗透流量等参数，并提出相应工程措施，避免发生渗透破坏，为类似非饱和土体渗流分析计算提供参考。

【关键词】渗流；饱和-非饱和；渗透坡降；防渗措施

前言

一般情况下，我们把流体在多孔介质中的流动称为“渗流”，传统土石坝或堤坝渗流分析，常忽略非饱和土的渗透性，造成计算结果不能真实反应地下水渗流，对防渗及边坡稳定计算有影响。S.P.Neuman曾提出引入有限单元法对饱和-非饱和土体建立有限控制方程进行离散求解；Van Genuche得出的广泛应用的非饱和土体渗流计算公式。本文在理论的基础上，拟合土壤水分特征曲线，利用有限分析软件Geo-Studio的SEEP/W建立二维渗流模型进行渗流计算，并提出相应的防渗措施，为类似饱和-非饱和渠堤或堤坝渗流分析提供参考。

1、饱和与非饱和渗流理论

饱和-非饱和土体所具备的能量用力学观点解释为“土水势”。其包括由重力场作用引起的重力势，由压强差引起的压强势和由土的基质对水分的吸附作用产生的基质势，非饱和区基质势<0，饱和区基质势>0。

根据质量守恒定律以及假定渗透系数张量与坐标方向一致，

得出：

上式即为饱和-非饱和渗流基本微分方程。

2、 数值分析计算

本文选取某电站右岸渠堤，堤身采用砼面板砂卵石填筑，尾水渠底宽91m，正常水深7.94m，尾水渠道地质结构为第四系冲积层（Q42al、Q41al），地层岩性存在卵砾石夹砂、粘质或粉质土，覆盖层堆积厚度12～26m，下伏基岩为白垩系，下统夹关组（K1j）。计算工况选择为：施工期尾水渠开挖至建基面高程354.5m，右岸地下水位为丰水期地下水位374.5m。典型剖面的渗流场、水头等值线、渗透坡降等值线分别见图1图2。

计算结果表明：

（1）右岸地下水渗流特征主要反应在覆盖层区域内，即渗流通道主要位于覆盖层，各剖面渗流特征均符合地下水流动规律；

（2）各剖面的水头等值线均从影响范围边界向尾水渠中心降低，沿渗流路径变化缓慢，分布较均匀，在渗流逸出点附近分布加密。渗流速度沿渗流路径分布也较均匀，逸出点最大坡降在0.5～0.6略大于覆盖层允许值有渗透破坏的可能性，总渗流量为0.042m3/s；

（3）各剖面渗透坡降等值线随着浸润线的降低而增大。渠堤边坡以外，渗透坡降等值線分布较疏，变化缓慢；渠堤边坡坡脚处，渗透坡降等值线分布较密，且变化较快。

3、工程措施及建议

鉴于渗流计算得出渗流量较大及渗透坡降较大，易产生渗透破坏的可能性，因此需采取相应工程措施：1）右堤边坡间隔3m设置梅花桩形式的排水管，按每根排水管0.5L/s的排水量，间隔一定距离设置一台多级离心泵，抽水量在6.3m3/h；2）为保证局部边坡稳定，防止渗透破坏，拟对边坡采取反滤层、透水土工布、压重等工程措施，控制右岸地下水对渠堤边坡造成局部渗透破坏。

参考文献：

[1] 陈崇希，林敏.地下水动力学[M].武汉：中国地质大学出版社，1999.

[2] Neuman，S.P.Galerkin approach to saturated-unsaturated flow in porous media.Finite elements in fluids.vol.1.viscous flow and hydrodynamical.London：Wiley 1974：201-217.

[3] 李廷，吴玉山，程祖锋.碎石填土地基的动力固结试验[J].岩土力学，2001，22（2）：201-206