西院滞洪区一期工程湖底开挖防渗计算分析研究

叶志军

（福建省漳州市城市建设投资开发有限公司，福建 漳州 363000）

1 工程概况

西院滞洪区一期工程位于漳州市芗城区北临瑞京路，南临北江滨路，西临惠民路，东临芗城交警大楼，总占地面积约378.28 亩（不含金峰污水处理厂89.95亩）。根据西院滞洪区（西院湿地公园）一期总体规划，湿地园内部结合规划水利滞洪区设计了约34 600 m2的人工湖。人工湖不仅是漳州城区水系的重要滞洪区，也是滞洪公园的核心。因此，本护岸设计将主要采用可呼吸的生态护岸型式，实现绿地与湖体的有机沟通。根据景观布置的不同要求，分别采用缓坡入水护岸、浅水湿地护岸、卵石平滩护岸、木桩围岛护岸及桥下过渡护岸，护岸总长约1 325 m。

2 计算内容及参数选取

2.1 计算内容

由于西院湿地公园紧邻九龙江，下伏强透水层，如西院湿地公园开挖深度过深，在九龙江汛期高水位的情况下可能会发生管涌现象，给九龙江相应岸线堤防稳定带来风险，因此必须要对邻近九龙江的位置湖底开挖深度进行计算，确保防洪安全。计算对象为西院湿地公园人工湖，计算内容为渗流稳定计算，取包括湖区最深点的纵剖面作为计算剖面（图1 所示），大堤至九龙江江底计算长度150 m，大堤至湖区边界计算长度115 m，湖区边界至湖底最深点计算长度70 m。计算组合工况如表1 所示。

图1 计算剖面平面位置图

表1 组合工况

2.2 地质资料

根据《西院滞洪区（西院湿地公园）一期—水闸泵站及湖体开挖驳岸工程地质勘察报告》，各土层物理力学指标及各土层渗透系数建议值如表2 所示。

表2 各土层物理力学指标

2.3 计算原理

本研究中开挖防渗采用slide（平面有限元渗流分析计算软件）进行渗流及渗透稳定计算，二维稳定渗流的微分方程式为：

式中 h——总水头；

kx，ky——分别为x 和y 方向的渗透系数。

计算采用二维平面有限元渗流模拟进行分析，选取三种工况：

1）施工工况：当本段九龙江达到百年一遇水位12.88 m 时，湖区对应水位取施工开挖最低坑底高程0.50 m；

2）正常工况：当本段九龙江达到百年一遇水位12.88 m 时，湖区对应水位取常水位4.00 m；

3）防渗处理后工况：当本段九龙江达到百年一遇水位12.88 m 时，湖区对应水位取常水位4.00 m，临江侧湖岸覆盖0.5 m 厚粘土至湖底。

3 防渗计算结果分析

3.1 正常工况

该坡岸地形变化较小，坡岸通过适当的简化，对典型剖面建立二维平面有限元模型。该坡岸处地下水位较低，模型下边界为基岩一下约一倍坝高，并对局部区域进行网格细化，提高计算精度。通过对正常工况下湖区水平一处坡降、湖区垂直逸出坡降以及湖区总逸出坡降进行计算，得出了相应的渗流场分布图如图2 所示。由计算结果可以得知，整个渗流场的水头分布基本合理，水头等值线的计算结果能够较为准确的反映各区域渗流情况及防渗措施的特点，整个典型断面的渗流控制措施得到有效的反映。计算结果显示：正常工况下，最大渗透出逸坡降为0.15。

通过对计算结果的分析，可以看出坡岸的防渗控制措施仍有进一步优化的空间。一是坡岸的上游存在较高的水头压力及渗透流速，其对坡岸的作用较为明显，可以充分考虑防渗性能及抗裂缝冲蚀及裂缝自愈能力，并在坡岸下游设计合理的反滤层，可较好地解决坡岸的渗流冲蚀及不均匀沉降问题，防止坡岸水平裂缝的发生。二是下游排水体的合理设置，排水体能够截断坡岸未能截住的渗流，以较小的水头损失排到坡岸以外，降低下游溢出点及下游渗流情况。尤其是近年来采用的反滤排水整体设计，排水体紧靠防渗体布置，充分发挥其排水作用，保证了反滤过渡层后坝体全部处于无渗流区。

3.2 施工工况

施工工况是指当本段九龙江达到百年一遇水位12.88 m 时，湖区对应水位取施工开挖最低坑底高程0.50 m。对典型剖面建立二维平面有限元模型，分别计算施工工况下湖区水平逸出坡降场、湖区垂直逸出坡降场以及湖区总逸出坡降场，得到的结果如图3 所示。根据计算结果可以分析：施工工况下，最大渗透出逸坡降为0.19，相对于正常工况来说最大渗透出逸坡降提升了0.04，这也意味着在施工工况下，坡岸发生渗流破坏的可能想比正常工况下更高。因此，在临江侧湖区驳岸设置反滤层能够起到防渗优化的作用。

3.3 防渗处理后工况

通过slide 渗流稳定计算和理正岩土-渗流问题公式法渗流稳定复核，西院湿地公园湖区渗流计算满足规范要求，但是考虑到九龙江大堤的重要性及相关专家的意见，在临江侧湖区驳岸增设防渗反滤层，以保证大堤安全。

反滤层拟采用铺设干砌块石（厚300 mm）+碎石垫层（厚100 mm）+黄砂一层（厚100 mm）+土工布一层（250 g/m2）的防渗措施，铺设范围为驳岸线向湖中心15 m 范围内。采用slide 计算软件对此工况进行复核，结果如图4 所示。

图2 正常工况计算结果

图3 施工工况计算结果

图4 防渗处理复核计算结果

本工程渗流出口为第④层中砂，根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）第3.2.2 节，安全系数取值1.5，则允许水力比降为0.3/1.5=0.2。通过“slide”渗流稳定计算，防渗处理后，最大渗透出逸坡降为0.14，满足规范要求，大堤防渗能力得到一定程度的加强。

4 反滤层的防渗机理及施工质量要求

4.1 反滤层的防渗机理

从前文数值模拟可以看出，在下游坡面设置反滤层有助于降低水力坡降。其具体的机理为，反滤层能够防止坝体内粒径较小的土颗粒随着渗透水的流动而逐渐析出，同时又保证了坡面上游的渗透水阻碍较小，能够顺利排出，由此能够有效地降低坡面下游的渗流位势，在下游坡岸的出水位置形成无压逸出状态。反滤层的土料一般为多种不同粒径的颗粒，粒径较小的颗粒能够阻止水中处于悬浮状态的土颗粒在渗流状态下不会析出。同时，由于反滤料较小的粒径，它也能够有效阻挡住坡岸坝体内的粒径较大的土粒，防止其被渗透水带走，发挥着保护坡岸的作用。

4.2 反滤层的施工质量要求

施工规范要求“反滤层厚度、铺筑位置及反滤料的粒径、级配、不均匀系数、含泥量等，均应符合设计要求”。对于已经完成铺设的反滤层应实施成品保护，防止行人、车辆、杂物、污水等对其造成破坏。排水设施石料应质地坚硬，并且具有良好的抗冻性、耐水性，抗压强度及几何尺寸也应符合规范及设计要求，确保反滤层结构排水顺畅。

5 结 语

本文通过利用有限元计算方法，结合西院滞洪区一期工程湖底开挖的实例求解坡岸在正常工况、施工工况以及防渗处理后工况下的渗流问题，得到了三种工况下的渗流结果，能够真实反映渗流实际情况，有限元渗流分析是求解坡岸及土石坝渗流的有效手段。通过对计算结果的分析能够初步了解防渗措施的控制效果，结果标明，在临江侧湖区驳岸设置反滤层的防渗措施能够有效降低最大渗透出逸坡降，提升大坝的防渗能力。