大堤加固岩土渗流分析

本文作者：李永乐 舒笑天 张红芬 单位：华北水利水电学院 河北工程大学

0引言

黄河以其善淤善迁徙而闻名于世，近两千年来，黄河下游大改道7次，中小改道20余次，给中华民族带来了沉重的灾难，现今黄河所行河道为公元1855年铜瓦厢改道后的河道，随着河道的不断淤高，已成为典型的地上悬河。黄河下游临黄大堤一般高7～10m，最高达14m，临背河地面高差5～8m、最高达12.21m(开封县大堤桩号117+000处)，堤防断面顶宽8～15m，临背边坡均为1∶3。黄河下游堤防大多是在历代民埝的基础上多次加修而成的，由于受当时技术、设备和社会环境等条件限制，有很多安全隐患:一是土质不良，填筑不实。黄河下游堤身多为沙质土，渗透系数大，洪水期易发生渗水、流土;局部用黏土修筑的堤防，易干缩裂缝，形成过水通道，威胁堤防安全;二是獾狐洞穴及空洞多。如1982年开封县在大堤上开挖一獾洞伸入堤内达26m，1991年在兰考大堤上解剖一鼠洞长达120m。2000年在开封不足40km堤段的探测结果中就有148处隐患，堤身的薄弱环节多、威胁大。近几年来，随着治河护堤科技的发展，黄河大堤先后采取了:截渗墙加固、淤背加固、前戗加固等防渗和加固方法。然而这些方法都是根据经验总结出来的，其效果如何?原理是什么?还没有进行深入的研究。本文拟对不同工况下的防渗效果进行探讨。

1黄河大堤饱和-非饱和土数学模型

1.1黄河大堤土体的岩土工程特性黄河堤防工程主要是以土体为材料构筑的土坝，坝高一般为8～12m，黄河下游大堤平时不临水，一临水就是高水位的情况，大堤水位通常波动较大，堤防土体的饱和度也处于变化中，这决定了黄河大堤是一种典型的饱和-非饱和土堤防。黄河大堤为人工填筑压实而成，属人工素填土，黄色，中密—密实，稍湿—湿。其岩性以粉土为主。干密度1.43～1.64g/cm3，平均1.51g/cm3。粘粒含量38.5%，压缩系数0.18Mpa－1，属中低压缩性土，饱和土渗透系数2.08×10－6m/s。

1.2黄河大堤饱和-非饱和土数学模型水在黄河大堤中的渗流为二维渗流，在渗流过程中既有饱和土渗流问题，也存在非饱和土渗流问题。因此在这里我们重点研究饱和-非饱和土系统的二维渗流。计算模型采用饱和-非饱和土系统的二维渗流模型，其数学模型［1，2］见公式(1)。H0为初始时刻的水头值，称为初始条件。kwx为饱和-非饱和土的相对渗透系数，可以由实验得出的土水特征曲线函数和渗透系数函数求得(详见2.3节)。

1.3土壤土水特征曲线函数和渗透系数函数关于土壤土水特征曲线函数和渗透系数函数，VanGenuchten和KoolJB，JCParker等已给出经验公式［3～6］。过去人们在计算中多采用经验公式，这样势必会脱离工程实际，从而造成人为误差。在本次计算过程中将试验得出的土水特征曲线方程和渗透函数方程应用于二维饱和非饱和渗流系统计算，从而提高了计算的精度和可靠性。此处:θs为饱和含水量;Ks为饱和水力传导系数;Kr为相对渗透系数;h为某一含水量下的基质吸力;a、b、c、d为某一土体的拟合参数，由实验得出。

1.4程序简介采用改进的二维饱和-非饱和渗流有限元计算程序SWMS-2D进行分析计算，SWMS-2D可模拟在多孔介质中水流的运动和孔隙水压力的变化，其中包括饱和-非饱和土的二维平面流或轴对称流，可用于分析各种复杂的渗流问题。笔者在原程序的基础上进行了改进，即将试验所得的渗透函数和土水特征曲线函数加入到程序中进行计算，从而得到饱和-非饱和区域在不同时期的水头分布、浸润线位置以及渗流场的分布规律。

2自然条件下黄河大堤饱和-非饱和土系统渗流分析渗流计算采用黄河下游历年来最高洪水及大堤水位。以黄河大堤堤角为基准面，洪峰时黄河水位在基准面以上8m，在随后的瞬变过程中，水位保持常数8m。研究从开始状态到指定时间点坝内浸润线、总水头、压力水头等的变化情况。

2.1离散计算域绘制好堤防的几何形状后，首先离散计算域，把计算域剖分成若干个单元，同时输入材料参数。次分析采用四边形单元和三角形单元作为有限元法分析的单元形式，把大坝断面剖分成867个小单元，见图1。

2.2渗流分析结果通过有限元计算，得出1～400h坝内浸润线的上升情况及浸润线瞬变位置见图2。

3截渗墙加固后的黄河大堤饱和-非饱和土系统渗流分析

截渗墙位于前戗马道上，混凝土设计强度为R28=10MPa，抗渗标号为S6，弹性模量为17000MPa，墙体长度为1300m，相关几何尺寸详见下图3。

3.1离散计算域将计算域剖分成879个四边形单元或三角形单元，详见图3。

3.2渗流计算结果通过有限元计算，得出截渗墙加固后1～400h坝内浸润线的上升情况及浸润线瞬变位置见图4。

4淤背加固后的黄河大堤饱和-非饱和土系统渗流分析

所谓淤背加固，就是采用泥沙泵将黄河河床内泥沙抽吸出来，在黄河大堤背水面淤高，达到加固黄河大堤的目的。即所谓的放淤固堤，该段淤区顶部宽度为100m，边坡1∶3。相关几何尺寸详见下图5。

4.1离散计算域把计算域剖分成1756个四边形单元或三角形单元(图5)。

4.2渗流分析结果通过有限元计算，得出淤背加固后1～400h坝内浸润线的上升情况及浸润线瞬变位置见图6。

5前戗工程加固后的黄河大堤饱和-非饱和土系统渗流分析

前戗工程加固是在黄河大堤迎水面采用不透水的砌石结构或混凝土结构，其目的一是防止河水对黄河大堤的冲刷，二是加固黄河大堤，还有一种功能就是延长黄河大堤中地下水的渗径。

5.1离散计算域把计算域剖分成946个四边形单元或三角形单元，见图7。

5.2渗流分析结果通过有限元计算，得出淤背加固后1～400h坝内浸润线的上升情况及浸润线瞬变位置见图8。

6渗流计算结果分析

通过对黄河大堤险工段进行饱和-非饱和土渗流分析可知，洪水条件下未经加固和经过截渗墙、淤背、前戗三种不同工况加固的黄河大堤除了具有非饱和渗流场的共同规律外，还各有特点。

(1)截渗墙加固情况下渗流在截渗墙周围区域发生了显著的变化:浸润线在截渗墙两侧发生了明显的断开，经过截渗墙之后浸润线大幅降低，浸润线在截渗墙左右两侧的差别随时间推移越来越大。渗流逸出点位置、逸出点流速、压力水头值都较未经加固的黄河大堤要低。

(2)淤背加固情况下渗流分析结果显示淤背体使渗径延长，大量消减渗透水流的能量，渗流逸出点位于淤背体上，逸出点流速非常小。渗流逸出点不是在背水坡面上，而是在淤背体上，逸出点流速也明显小于未经加固的黄河大堤的渗流逸出点的流速。淤背加固使发生渗透破坏的险点远离大堤轴线，使发生溃决的时间大为延后。

(3)前戗加固情况下，在前戗土体内浸润线大幅降低，并随着时间的推移不断增高。前戗土体内部等水头线密集，流速大，所以前戗土体要有较强的抗渗透破坏能力。前戗加固情况下，渗径被延长，堤防内部浸润线明显低于未经加固堤防的浸润线且比未经加固的堤防的要平缓，渗流溢出点较未经加固的堤防要低，流速也相对较小。上游面处的等水头线分布较未经加固堤防的密集，流速相对较大。前戗土体的存在会对堤防产生一定的补强作用。堤防中部等水头线间距相对较大，流速相对较小，有利于堤防的整体稳定。

(4)对截渗墙、淤背、前戗三种加固工况下渗流分析结果进行了比较可知:前戗土体降低浸润线的效果比截渗墙稍好，但是前戗土体附近渗流速度大，逸出点流速也较截渗墙加固情况下要大，堤防内部总体流速也较大，所以总体来看截渗墙加固效果要优于前戗加固效果。前戗加固与淤背加固相比，淤背没有起到降低浸润线的作用，但是淤背加固情况下的渗流逸出点不在背水边坡上，逸出点流速也非常小，而且巨大的淤背体对堤防的盖重作用要比前戗土体对堤防的补强作用大得多，所以，淤背加固效果要优于前戗加固。截渗墙和淤背相比，截渗墙降低浸润线的效果明显好于淤背，但是施工难度比较大，而淤背则可以就地取材，利用黄河多泥沙的特点进行黄河大堤的加固改造，缺点在于淤背要占大量的耕地面积。