堤防渗流计算若干问题的探讨

2017-12-20，，，

地下水 2017年6期

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(1.河南省周口市节约用水办公室，河南周口 466001；2.黄河流域水资源保护局，河南郑州 450053；3.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南郑州 450003)

堤防渗流计算若干问题的探讨

殷素娟1，张立2，田大永3，雷崇方3

维护堤防的渗透稳定性是确保堤防建设与运行安全的关键。归纳总结了河道管理范围内不同建设项目对堤防渗流稳定影响的形式、原因。并以某取水工程管道穿越堤防渗流稳定计算为例，对管道穿堤前后堤防的渗流场进行对比分析，评价施工前后堤防土体的渗透稳定性影响，并提出相应补偿措施。

堤防渗流；稳定；计算

1 概况

渗透破坏是堤防最主要的破坏形式之一，因此维护堤防的渗透稳定性是确保堤防建设与运行安全的关键[1]。如果在河道堤防附近建设跨堤、穿堤等建筑物，将会对堤防的渗流稳定产生一定的影响。根据《堤防工程设计规范》中的规定“:桥梁、渡槽、管道等跨堤建筑物、构筑物，其支墩不应布置在堤身设计断面以内。当需要布置在堤身背水坡时，必须满足堤身抗滑和渗流稳定的要求”[2]。在编制防洪影响评价报告时，如果建设项目可能影响现有的堤防渗流稳定安全，则需要进行渗流稳定计算，通过计算求出渗流场内的水头、压力、坡降等水利因素，并根据计算结果进行渗透稳定性影响分析并提出保证堤防渗流安全稳定的预防措施。

2 堤防渗流稳定影响分析

2.1 穿河、堤建筑物对堤防渗流稳定影响

穿堤建筑物对堤防的破坏主要原因是沿堤防基础或者穿堤建筑物与堤防周边填土接触面产生，形成一个扰动范围。穿堤建筑物形成的扰动范围是冲刷最先发生的地方。在冲刷影响初期，扰动范围内的土体颗粒被水冲出堤防，进从而形成一个关键渗流通道，从而引起堤防沉降、变形，随着扰动范围逐渐增加，堤防因渗流冲刷而溃堤[3]。目前在穿河、穿堤施工过程中主要采用定向钻穿越、盾构穿越和顶管等施工工艺。定向钻穿越虽然具有不开挖地面、不破坏地层结构、不损坏河堤、不扰动河床对原工程影响较小的特点，但在穿越过程中总是无法避免会对管道周边的原土体产生扰动，影响原土体的密实度，使管道周围土体的渗透系数增大(随着土体的孔隙率增加)，甚至可能会沿管道周边形成一条渗流通道，这对于堤防的稳定、安全性是相当不利的[4]。由于施工工艺较为先进，盾构穿越和顶管是目前常用的施工手段，除了在施工过程中形成扰动面从而影响堤防渗的流稳定安全外，在类似的施工方法中，往往需要同时开挖工作竖井，形成的工作竖井也可能导致堤防产生渗透破坏，这也是需要引起注意的影响因素之一。

2.2 跨河、堤建筑物对堤防渗流稳定影响

桥梁经过河道时需要跨越河流两侧的堤防，需要在堤防附近设置一定数量的桥墩，桥墩的桩基基础埋深比较深，容易扰动土体形成易透水层，再加上灌注桩和施工过程中震动对堤防土体造成的影响，极易将土体形成渗流通道并贯穿土体形成扰动渗流，尤其在土质松软的地区更易影响渗流稳定[5]。如果桥墩设计在堤防的自身断面内，则将对堤防产生严重的影响：一方面桥墩将减少堤防的设计断面，在堤防和桥墩的接触面形成扰动层，使得堤防更容易发生接触渗漏，造成堤防渗流稳定性变差。另一方面，在桥梁运行时，桥上的骑车使得桥墩受动载作用而产生的震动，会使得设置在堤身内桥墩的周围土体发生扰动，如果堤防在水中浸泡时间过长，堤防和桥墩的接触面更容易形成渗流通道。另外，在桥墩施工时会进行基坑开挖并降水，从而导致水头差增大，也会对堤防渗流稳定安全造成不利影响。

2.3 堤防后基坑开挖对堤防渗流稳定影响

在河流内建设取水泵房、取水井等工程建筑物时，大都要在堤后开挖基坑降水，汛期时，堤防迎水面水位和基坑内低水位形成较大水头差，从而使得堤防两侧水力坡度显著增加，从而影响堤防稳定安全。当地下水位相对较高，堤防土体渗透系数较大的地方，更容易对堤防造成渗流稳定破坏。因此，在堤防后进行基坑深开挖时，须对堤防与堤基进行渗流分析，并对堤防的边坡进行稳定分析[6]。

3 堤防渗流稳定算例

3.1 计算原理

本次使用非饱和土渗流有限元理论对某电厂取水工程管道穿越淮河大堤进行渗流计算。根据达西定律，对于非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程：

式中：φ=φ(x，y)为待求水头势函数；x，y为平面坐标；Kx，Ky为x，y轴方向的渗透系数。

水头φ还必须满足一定的边界条件，经常出现以下两种边界条件：

(1)在上游边界上水头已知：φ=φn

(2)在逸出边界水头和位置高程相等：φ=z

其中lx，ly为边界表面向外法线在x，y方向的余弦。

将渗流场用离散，假定单元渗流场的水头函数势φ为多项式，由微分方程及边界条件确定其问题的变分形式，可导得出线性方程组：

[H]{φ}={F}

式中：[H]为渗透矩阵；{φ}为渗流场水头；{F}为节点渗流量。

计算软件采用节点虚流量法通过多次迭代计算自动确定浸润线位置和出逸高度。

3.2 工程概况

根据某项目在河道内取水的施工设计方案，设计水泵站处于大堤的内侧，利用取水头和自流引水管取水，泵房距离大堤的堤脚60 m，引水管为Φ1 640×20钢管，长约1 063 m，中心标高10.50～11.50 m，其中1 044 m为顶管法施工(包括穿越淮北大堤段)。工程所在大堤堤顶高程约28.0 m，顶宽10 m，两侧边坡1:3，滩地高程21.0 m。淮河百年一遇洪水位为25.87 m，千年一遇洪水位为27.34 m。

3.3 计算区域与计算参数选取

根据地质报告并参考《淮北大堤加固工程初步设计》地质资料进行分析计算，大堤堤身土为粉质粘土，渗透系数取1.56×10-5cm/s；堤基①层土为粉质粘土，渗透系数取1.56×10-5cm/s；③、④层粉质粘土，渗透系数取1.56×10-5cm/s；⑤层为细砂，渗透系数取1.0×10-3cm/s；⑥层为粘土，渗透系数取1.0×10-6cm/s。因顶管施工有可能造成管壁周围的土体松动，从而增加了渗透性，本次计算用增大管道周围一定范围内的土体的渗透系数的方法来模拟管道对土体的扰动情况，取周围的土渗透系数比原状土大一个数量级来考虑，模拟顶管施工后对土的扰动，即10～12 m高程范围内土的渗透系数取1×10-4cm/s。

3.4 计算工况及边界条件

分别按照淮河百年一遇洪水位25.87m和千年一遇洪水位27.34 m两种工况对管道穿越淮河大堤前后分别进行计算，泵房侧考虑无水，因取水管埋深较深，且进出口距离堤脚均较远，故计算时堤脚以外均按照50 m考虑，计算见简图1。

图1 渗流计算简图

3.5 计算结果

根据二维渗流有限元程序计算结果得到管道穿越淮河大堤前后百年一遇和千年一遇的流网图(见图2～图5)，最大渗透坡降见表1。

表1 平面渗流分析成果表

注：表中Jmax为最大渗透坡降。

3.6 成果分析

从计算的成果来看，管道穿越淮河大堤对堤防的渗流稳定产生了一定的影响，使下游堤坡的逸出坡降有所增大，管道穿越后百年一遇洪水位和千年一遇洪水位下堤防最大渗透坡降分别为0.36和0.42，由于堤基第①层为粉土或粘土，其允许出逸坡降[J]=0.5～0.6，各工况下穿越淮河大堤逸出坡降均小于规范的允许值。但是由于顶管施工扰动堤基土体，导致堤防渗流溢出点的渗透坡降有所增大，取水管道的施工对堤防渗流稳定造成了一定程度的不利影响，但在堤防渗透稳定性分析中，堤防渗透稳定还是满足要求的。

图2 穿越前百年一遇洪水位计算成果图

图3 穿越后百年一遇洪水位计算成果图

图4 穿越前千年一遇洪水位计算成果图

图5 穿越后千年一遇洪水位计算成果图

4 结语

(1)在实际的堤防渗流稳定计算中，经常需要对堤防断面、土层断面等相关条件进行简化计算，例如一些管道穿堤工程并不是水平穿越，而是从上到下穿越不同的土层，此时便较难将管道的影响进行简化计算。若遇次类情况，在渗流计算中穿堤管道经过的土体渗透系数较大，则土体中渗透系数最大的值可作为管道周围扰动土体的渗透系数取值，如果堤防土体渗透系数较小，则可按照增大管道周边土体的渗透系数值两个数量级取值，扰动土体的影响范围可外延管道管径的一半或者管道直径扩大1 m。

(2)由于渗流稳定计算过程中需要进行有限元网格剖分，在计算过程中应合理划分网格，保证划分网格能够反映渗流过程，保证计算精度。

(3)在收集到相应地质勘探报告后，应参考已有的工程经验进行对比计算；计算中应设置不同工况下的渗流稳定方案，选用不同计算方法和手段对比分析，根据不同工况成果提出相应的保护及补偿措施，确保大堤稳定安全。

[1]张枫.跨越堤防桥梁基础对堤防渗透稳定性影响分析[J].人民长江. 2011.(42) 147-149.

[2]王松.对跨河桥梁防洪评价几个问题的探讨[J].治淮.2011.(11):71-72.

[3]陈辉，景卫华，李益进等.穿堤建筑物的防渗措施简析[J].山西建筑.2009.35(2):356-357.

[4]朱乃榕. 西气东输工程管道穿越建筑物结构稳定及渗透研究[D].河海大学.2005.

[5]查道满. 安徽省淮河干流跨河桥梁防洪影响分析及对策[J].治淮.2011.11:60-61.

[6]袁新明，张磊磊，顾美娟. 堤后有深开挖的堤坝渗流及其稳定分析[A].中国水利学会岩土力学专业委员会、中国水利学会工程管理专业委员会.水工渗流研究与应用进展——第五届全国水利工程渗流学术研讨会论文集[C].中国水利学会岩土力学专业委员会、中国水利学会工程管理专业委员会.2006:6.

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1004-1184(2017)06-0100-02

2017-08-14

殷素娟(1972-)，女，河南周口人，工程师，主要从事城市地下水资源管理工作。