过堤工程建设对堤防渗流稳定的影响分析

2021-09-15阎苗渊

陕西水利 2021年8期

阎苗渊

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东中山 528403)

堤防的安全与人民生命财产安全息息相关。大量的洪水灾害数据表明，堤防的渗流稳定计算十分重要，渗流稳定达不到要求容易造成堤防安全事故，并容易引起二次危害的隐患。本文以1座2000 t级临时船舶物料装卸平台为例，在横门水道左岸民众作业区(嘉信码头)下游约350 m处建设一座物料装卸平台和农路过堤工程，采用有限元方法分析稳定流及非稳定流中多种边界条件、多种材料的堤坝或土体的渗流分析。

1 工程概况

中山市产业平台(民众园)综合开发PPP项目位于中山市民众镇南部，西至人民路，西北接民众镇已建成区，东北至三宝沥，南至横门水道，包括义仓村、裕安村、群安村、沿江村、锦标村、接源村、民平村。项目总体合作区域规划占地面积约43.71 km2，中山市民众镇人民政府与梓宁建设集团有限公司，制定5年建设规划和近期18个月的具体攻坚计划，政府正加快推进民众大道、众安大道两条园区主干道以及综合管廊等配套设施建设。为积极响应国家号召，顺应中山市城市发展规划，实现民众建设蓝图，梓宁建设集团有限公司拟在横门水道左岸民众作业区(嘉信码头)下游约350 m处建设一座物料装卸平台和农路过堤工程，为民众园的建设提供建材运输服务[1]。

装卸平台防洪标准采用50年一遇，水工建筑物按Ⅱ级建筑物进行设计。装卸平台位于横门站对面，根据水利部珠江水利委员会2009年1月《西、北江及三角洲主要控制水文站设计洪水成果及水位～流量关系复核报告》，工程附近横门站各频率水位见表1。横门水文站资料延长至2016年，经复核，横门水文站50年一遇洪水位与本次成果接近，因此采用已批复的成果，即横门水文站50年一遇洪水位为2.49 m。横门水文站30年一遇设计低潮水位为-1.24 m，多年平均潮水位为0.18 m，多年平均低潮水位为-0.48 m。

表1 横门水文站各频率洪潮水位单位：m

2 工程建设对堤防渗流稳定影响分析

2.1 计算原理及计算方法

渗流分析采用有限元方法，有限元方法是依据非饱和土理论、根据基本的渗流理论——达西定律等，采用有限元方法分析稳定流及非稳定流中多种边界条件、多种材料的堤坝或土体的渗流分析。本次堤身渗流稳定使用河海大学工程力学系研制的《水工结构分析系统软件AutoBank7.41》进行分析计算，该软件计算分析满足上面计算理论要求。

2.2 模型概化

梓宁建设集团有限公司物料装卸平台和配套农路架空过堤工程渗流分析的重点是跨堤农路灌注桩对堤防地基土体的影响，灌注桩桩柱式墩体具有不破坏地层结构、不损坏河堤、对原工程影响较小的特点，但在施工过程中总是不可避免会对桩体周边的原土(岩)体产生扰动和改变运行状态，使桩体周围土体的渗透系数增大，同时灌注桩成桩后改变堤防土层的渗流通道——减小渗径，这对于堤防的稳定和安全是不利的，在农路过堤工程完成后的正常运用期，农路过堤工程构筑物自身荷载及过往车辆荷载会通过桥梁灌注桩柱传递到堤防基础上，这对于堤防的稳定和安全同样也造成了不利的影响[2]。

对于上述这些可能出现的情况，在分析中，在施工期工况下，采用增大灌注桩周围一定范围内的土体的渗透系数的方法来模拟。然而，桩体对原土体可能产生的影响(产生多大扰动，对多大范围产生影响)取决于桩体的施工质量，即包括施工中对周围土体产生扰动的大小、施工中所用泥浆质量、泥浆与外管壁及周围土体结合的情况，以及原来土体的物理力学性质所决定的，因此在没有试验数据的情况下，桩体周围土体的各个特征参数值无法直接确定，只能在计算中拟定，即选用一些较为危险的情况，选取一些偏安全的参数来模拟管道穿越产生的影响。本报告偏安全考虑，将灌装桩钻孔经过的土层中渗透系数按强透水砾沙取值(10 m/d)，桩体对其周围土体的影响范围取约二分之一桩径，本工程桩径为Φ1200 mm(含保护层厚度)，取其影响范围为600 mm。在正常运用期，通过在桩柱加载荷载来计算分析堤防的稳定性。临港池开挖段由于为满足船舶停靠需要，需疏浚现有河道，对现状堤防稳定造成了不利影响，本研究将参考相关堤防设计规范，选取临港池开挖段堤防最不利断面进行渗流稳定复核计算。

2.3 计算断面及土层参数

结合《梓宁建设集团有限公司物料装卸平台和配套农路架空过堤工程工程可行性研究报告》(2019年3月)和《民三联围达标幕墙工程地质勘察报告》(2005年11月)，渗流计算剖面根据各不同地基地质情况的和工程布置及运行情况，选取抗渗及抗滑较不利的断面，在农路过堤段取临时交通桥轴线方向过灌注桩轴心位置断面作为堤防稳定分析断面进行分析计算，在临港池开挖段选取距离港池最近断面进行分析计算。计算断面平面布置图和横断面计算简图见图1～图3。

图1 农路跨堤段及港池开挖段计算断面平面布置图

图2 农路跨堤段：堤防稳定计算横断面简图

图3 临港池开挖段：堤防稳定计算横断面简图

2.4 计算工况及水力边界条件

根据《海堤工程设计规范》(GB 51015-2014)的规定，复核现状堤防的渗流稳定安全，各断面选择的计算工况及其水力边界条件见表2。

表2 堤防渗流稳定安全计算工况及临水侧、背水侧水位组合表

2.5 计算成果及分析

渗透变化的形式及其发生发展过程，与地质条件、土粒级配、水力条件、防渗排渗措施等因素有关，通常可归结为管涌、流土、接触冲刷和接触流土四种类型。根据计算断面的土层分布情况来看，本报告主要考虑粘性土的流土破坏和非粘性土的管涌破坏[3]。

粘性土的流土临界坡降参照《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)公式G.0.6-1计算：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

式中：Gs为土粒比重；n为土的孔隙率。

非粘性土的管涌破坏临界坡降参考《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)公式G.0.6-2计算：

式中：d5、d20分别为小于该粒径的含量占总土重的5%和20%的颗粒粒径，mm。

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)及《海堤工程设计规范》(GB 51015-2014)，本工程堤防允许渗透坡降为0.5[4]。

计算断面堤背水坡最大渗透出逸坡降的计算成果见表3。横门水道左岸堤防计算断面渗流等势线图和浸润线图见图4～图6。

图4 农路跨堤段：堤防稳定渗流分析结果图(正常运用期)

图5 农路跨堤段：堤防稳定渗流分析结果图(施工期)

图6 临港池开挖段：堤防稳定渗流分析结果图(正常运用期)

表3 渗透坡降计算成果表

由表3可知，工程施工期和施工后正常运行期背水侧近坡脚处的最大坡降均在规范允许范围内；由于跨堤段桥支撑灌注桩钻孔沿堤线方向布置两孔且间距为4.5 m，所以钻孔对跨堤段堤防渗透稳定影响很小，横门水道左岸堤防在跨堤桥梁过堤段在施工期和施工完成后的运行期均满足渗流稳定的要求。临港池段堤防在临水侧开挖港池后堤防背水侧渗透坡降也都满足渗流稳定的要求[5]。

根据图4～图6结果，各工况下渗透比降均在规范允许范围内，本工程现阶段农路过堤工程和港池开挖对堤防渗流稳定影响很小[6]。灌注桩钻孔过程中注意选用合理的施工工艺，减少对原有堤防的扰动，以免造成渗流破坏，特别是离堤防背水侧堤脚附近的灌注桩施工时要严格控制对周围堤防基础的扰动，确保堤防安全[7]。