分淮入沂整治工程典型堤段垂直防渗体防渗效果分析与评价

2019-10-25山2余昌蔚

长江科学院院报 2019年10期

冯迪，王媛，高山2，余昌蔚

(1.河海大学土木与交通学院，南京 210098； 2.江苏省分淮入沂整治工程建设管理局，江苏扬州 225002)

1 工程背景

我国江河湖泊众多，水患频发，人民与水抗争的历史由来已久。据不完全统计，我国已建成各类堤防26 万km，这些堤防在保护沿岸人民生命财产安全上起到了重要的作用，发挥了重大的国民经济效益与社会效益[1]。但是，由于我国堤防工程多数建设年代久远，限于当时技术与经济条件，很多都是采用传统手段，通过就近取土堆筑，不断加固加高补漏，造成了堤防质量隐患众多、堤防安全事故频发的现状[2-3]。

近年来，为了改善我国堤防现状，国家水利部门越来越重视病险堤防的改造加固[4]。垂直防渗加固工程由于其功效高、成本较低、占用土地少，更加适应于堤防加固工程的工程量大、施工季节短和作用水头低的特点，在众多江河堤防得到了越来越多的应用[5-9]，出现了很多成熟的垂直防渗加固技术，如机械垂直铺膜处理、多头小直径深层搅拌桩防渗处理，高压定喷防渗处理等。但在施工和使用过程中，一些缺陷难以避免，如铺设深度不足、出现破损等。这些因素必然对堤防的渗透稳定性造成影响。由于地质条件的复杂性及工程的隐蔽性，其防渗效果难以检测与评价。

本文依托分淮入沂整治工程，通过数值方法模拟洪水位下堤防渗流场，分析有无垂直防渗体、防渗体铺设深度、防渗体是否有缺陷及缺陷位置等对堤防渗流场的影响，以溢出点水力梯度为评价指标，通过与土层允许水力梯度的比较来评价垂直防渗体的防渗效果。

2 计算模型与方法

2.1 堤防渗流计算原理

计算堤防渗流过程中，将总水头H作为渗流控制方程的因变量，假设土体含水率的变化不会导致土体体积的改变，则渗流控制方程为[10]

(1)

式中：H为总水头(m)；kx,ky,kz分别为x,y和z方向的渗透系数(m/s)；Ss为释水率(m-1)。

FLAC3D是美国ITASCA咨询公司开发的三维有限元差分程序，该程序具有较快的运算速度、强大的前后处理功能、灵活的FISH语言，在科研及工程领域具有广泛的应用。本文利用其内置的渗流模块来对堤防渗流进行计算。

2.2 计算模型

分淮入沂整治工程是国务院确定的进一步治理淮河的重点项目, 是淮河下游防洪体系的一个重要组成部分。选取分淮入沂整治工程桩号KD38+200段堤坝为建模对象。根据断面的地层分布和地表地形，适当简化后建立计算模型如图1所示，模型长110 m，高15.5 m，底板取至高程0 m处，顶部取至地形表面，对其进行网格剖分形成数值模型。

图1 计算模型

本段堤防的设计行洪水位为12.8 m，在模型堤外侧地表低于洪水位12.8 m处，和堤内侧边界低于8.5 m处皆设置为定水头透水边界，模型底部设定不透水边界。

2.3 模型参数

将室内渗透试验测得的渗透系数与勘测报告提供的渗透系数进行比较分析，确定模型中各个地层渗透系数计算值见表1,垂直防渗体渗透系数为1×10-7cm/s。

表1 各地层渗透系数表

2.4 计算工况

针对现场设计垂直防渗体状况的不同以及可能出现缺陷的情况，主要考虑无垂直防渗体、有垂直防渗体、防渗体底部距黏土层距离、防渗体是否有缺陷及缺陷位置不同等6个工况，即：①无垂直防渗体；②垂直防渗体底部距离黏土层0 m；③防渗体底部距离黏土层0.5 m；④防渗体底部距离黏土层1 m；⑤防渗体缺陷尺寸0.4 m，距离顶部4 m；⑥防渗体缺陷在距离顶部8.5 m。

3 垂直防渗体对堤防渗流场的影响分析

针对不同工况，通过对比水头和水力梯度分布情况，分析垂直防渗体对堤防渗流场的影响。

3.1 垂直防渗体对渗流场的影响

堤防无垂直防渗体和有垂直防渗体的水头等值线分布见图2。从图2中可知有垂直防渗体的工况在防渗体后(堤内侧)的水头明显下降，在防渗体底部等水头线变得密集，说明此处有大量的水流通过。

图2 有无垂直防渗体的水头等值线分布

图3 有无垂直防渗体的水力梯度等值线分布

堤防无垂直防渗体和有垂直防渗体的水力梯度等值线分布如图3所示，比较图3(a)、图3(b)可知，铺设防渗体后水力梯度的分布发生显著变化，在防渗体前后的区域内水力梯度显著变小，而在防渗体底部水力梯度明显变大。这是由于防渗体的防渗作用使得水流改变了流动路径，从防渗体底部绕渗。

3.2 防渗体铺设深度对渗流场的影响

图4为垂直防渗体是否铺至黏土层内的水头等值线分布图。对比图4(a)与图4(b)可知，当垂直防渗体未铺至黏土层内时，在防渗体后(堤内侧)的水头明显升高，这是因为在防渗体底部和黏土层顶部之间存在一个渗流通道，在这个部位水流经过，水头损失较小，因此抬高了防渗体后一段区域内的水头。可以看出当垂直防渗体未铺设至黏土层时，在防渗体后(堤内侧)的水头明显升高。

图4 垂直防渗体距离黏土层不同距离的水头等值线分布

图5 垂直防渗体底部距离黏土层不同距离的水力梯度等值线分布

图5为垂直防渗体底距离黏土层不同距离的水力梯度等值线分布图。这2个工况的区别在于防渗体底处与黏土层中间形成的透水薄层的厚度不同。二者水力梯度分布整体上相类似，只是当透水薄层越厚，其下方的黏土层的水力梯度越小。这是由于薄透水层越厚，流过这一区域的水流就越多，相对而言通过黏土层的水流变少，因此水力梯度也更小。

3.3 防渗体缺陷对渗流场的影响

图6为缺陷位置不同的防渗体水头等值线分布比较图，与图2(b)对比可以看出垂直防渗体存在缺陷时，渗流场发生了明显变化，防渗体后的区域内水头抬升，尤以缺陷处水头抬升最为明显。另外，对比图6(a)、图6(b)可以看出缺陷在不同位置，由于缺陷处水压力的不同，对防渗体后渗流场造成影响的范围不同，当防渗体缺陷位置越低，影响范围越大。

图6 防渗体缺陷位置不同的水头等值线分布比较

图7 防渗体缺陷位置不同的水力梯度等值线分布

图7为防渗体缺陷位置不同的水力梯度等值线分布图，与图3(b)对比可以看出，在缺陷处前后水力梯度明显上升。这是由于垂直防渗体存在缺陷时水流从缺陷处流过，导致这一区域水力梯度上升。对比图7(a)与图7(b)可以看出，缺陷位置不同，主要影响各自缺陷处附近的水力梯度，是局部水力梯度增大，对其他离缺陷处较远处的影响大致相同，但缺陷位置越低，影响的范围越大。

4 堤防垂直防渗体防渗效果评价

堤防垂直防渗体防渗效果可通过堤防的渗透稳定性来评价。以溢出点水力梯度为评价指标，通过与土层允许水力梯度的比较来评价垂直防渗体的防渗效果。通过前述渗流分析计算结果可得到溢出点的水力梯度J，若J小于土体的允许水力梯度，则堤防是稳定的，垂直防渗体防渗效果良好，否则表明防渗工程不符合要求。各工况溢出点水力梯度见表2，通过现场钻孔取样测定的各土层基本物理参数，依据《堤防工程地质勘察规程》中允许水力梯度计算方法[11]，可得到各地层允许水力梯度见表3。