倒挂井阻渗对古防洪堤渗流稳定的影响

李骞 周建芬 秦子鹏 曹明杰 严芳

摘要：

在中国许多地方，仍有古防洪堤在发挥防洪、航运等功能。为了探究经不同古堤修复加固技术修葺后，洪水涨落对古防洪堤中土体渗流稳定的影响机制，构建了多孔连续介质的饱和-非饱和二维渗流有限元模型，模拟分析原状强透水結构和设置倒挂井帷幕防渗结构两种情况下，古堤的地下水位、孔隙水压力和渗流比降的变化和分布规律。结果显示：设置倒挂井帷幕防渗结构后，古堤内侧的地下水位峰值降低7.6%，倒挂井后孔隙水压力及渗流比降大幅降低，但局部孔隙水压力极值和堤脚的渗流比降最大值提高。可见古堤内侧设置防渗结构可有效减少古防洪堤堤后水位及相应水压力、渗透力，但是古堤与倒挂井之间渗流比降增大，对此可通过低压灌浆等措施提高土粒的黏结力，抑制堤后发生管涌等渗透失稳。

关 键 词：

古防洪堤； 倒挂井； 地下水位； 孔隙水压力； 渗流比降； 饱和-非饱和模型

中图法分类号： TV871

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.033

0 引 言

中国许多地方的古防洪堤兼航运、防洪、军事防御功能于一身，如荆州、寿州、台州等地的古堤均是如此［1-5］。部分古码头和防洪江堤一起构成整体，至今仍在发挥航运功能。对兼具防洪和航运功能古防洪堤的保护加固，涉及到城建、水利、文化、民政等多个部门，修葺保护所面对的技术性问题比较复杂，特别是针对古堤频发的管涌问题，需要从多孔连续介质的饱和-非饱和渗流理论方法入手开展研究，才可以得出准确的结果和科学结论。

现存的古防洪堤一般临江而立，因此邻城市中心，与市政设施融为一体，经过历代的修葺，至今仍然在发挥其防洪和航运的作用，同时也成为了独具特色的地方文化与水文化承载体。近年来，随着防洪安全要求的提升和防洪标准的提高，防洪古堤及码头的保护和加固面临许多亟待解决的问题。由于古码头文物保护修葺工程要求必须保持文物本体原构，其修葺所用胶凝材料须选用石灰基材料，这给古码头的加固带来了挑战。其中季节性河流水位急剧涨落对古堤的渗流稳定性影响很大，常常引发渗流失稳和管涌问题，进而威胁古防洪堤的安全，研究不同修复技术对码头渗流稳定影响的作用机制具有重要理论和实际意义。

近些年，国内外许多学者开展了地下水渗流特性对岸坡渗流稳定影响的研究。依据非饱和土体含水率、基质吸力及渗流系数的关系，提出饱和-非饱和土体的渗流方程［6-8］。基于渗流与侵蚀耦合方程可知，非饱和土层孔隙水压力增大，水力梯度大于初始水力梯度，细颗粒相从土体中运移流失，从而产生变形失稳［9-13］。考虑到地下水的渗流作用机理，工程中对地下水的主要防治理念是“防渗阻截”，即通过工程措施减少地表渗入和削弱地下渗流。王飞将帷幕技术应用于边坡工程中，利用渗流阻截帷幕削弱坡体地下水位渗流，提高边坡稳定性［14］。许烨霜等研究地下构筑物阻挡地下水渗流作用，得到地下构筑物对地下水及地表沉降的影响程度与构筑物在含水层中的深度及挡水宽度的关系［15］。针对多层堤基结构管涌动态发展过程，王霜利用有限元分析软件模拟了管涌发展不同阶段堤基内部渗流场分布［16］。为了揭示降水对于岸坡变形发展的影响规律和不利因素，何绍衡等建立了深厚透水土层的悬挂式止水帷幕的分级降水三维流固耦合模型［17］。郭一鹏等开展了毛细透排水管排水渗流模型及设置间距研究，得到地下水位变化下毛细透排水管排水的稳定渗流模型和非稳定渗流模型［18］。从宏微观尺度，学者对渗透系数与岸坡的渗流稳定性关系及防治措施做了较多的研究［19-22］。但是，针对古防洪堤岸坡土体特性和地下水位波动影响土骨架中水相的运动规律的研究还不够深入，因水位骤变造成的非稳态渗流影响结构基土稳定的过程研究还不够充分。针对不同构筑物结构和工况变化引发的管涌等渗流稳定分析，需要综合应用饱和-非饱和渗流理论和管涌本构模型，才能准确模拟非稳态渗流引发管涌的机制和规律。

本文以位于浙江衢江和金华江交汇口下游的兰溪古防洪堤为对象，建立多孔连续介质的饱和-非饱和非稳态渗流数值模型；分析洪水涨落对古防洪堤渗流稳定性的影响规律，模拟古堤文物原构背侧设置倒挂井作为帷幕阻渗的渗流规律，探究地下水位时程变化对古堤渗