張 華,沈振中,李琛亮

(河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098)

分洪道堤防是防洪工程體系的基礎(chǔ),是完成分洪任務(wù)、確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要屏障。但由于堤防軸線位置多系歷史形成和河勢(shì)引導(dǎo)所致,不能隨意選定防滲條件好的堤址,因此多數(shù)堤防修建在含有深厚透水層或軟土層的沖積平原上,這就導(dǎo)致堤防的堤基存在某些構(gòu)造特征或缺陷(如缺乏可靠的滲流控制措施),這些構(gòu)造和缺陷是汛期產(chǎn)生險(xiǎn)情的主要原因[1]。因此,在堤防建設(shè)或加固工程中,掌握堤身及地基的滲流特點(diǎn),采用合理的滲流控制措施是確保堤防安全度汛的重要前提。某分洪道工程位于江蘇省揚(yáng)州市,是該城市防洪的重點(diǎn)工程之一。擬建的分洪道是古運(yùn)河、儀揚(yáng)河流域的主要排洪通道之一,為南北走向,北接儀揚(yáng)河,南通長江,全長8.24km。該分洪道工程所處地區(qū)地基為雙層地基,是由表層弱透水性粉質(zhì)壤土和下臥中等透水性砂壤土層組成的二元結(jié)構(gòu)。其典型斷面土層分布如圖1所示,其中A層和B層土體的滲透系數(shù)較小,C層和D層土體及堤體材料的滲透系數(shù)相對(duì)較大。由于該分洪道大部分工段為平地開河,在開挖過程中極易將弱透水性土層全部或大部挖除,使分洪道內(nèi)水流直接進(jìn)入下臥中透水性土層,從而在汛期堤外弱透水層下形成削減慢的高承壓水頭。由于天然或人為因素,一般表層弱透水性土層厚薄不均,抗?jié)B強(qiáng)度大小不等,在堤后背水側(cè)往往有取土坑形成的水塘、湖泊或低洼地。因此,在汛期高水位的長期作用下,弱透水性土層的薄弱處有可能被承壓水頂穿,形成集中出水口,發(fā)生管涌或流土。近幾年來的研究表明,此類二元結(jié)構(gòu)堤基存在“滲而不流”的現(xiàn)象,即具有水頭損失小、滲流速度慢、與江河水聯(lián)系密切、汛期承壓水頭高且范圍大等四大特征,需重視堤后排水,盡量讓水流動(dòng)起來[2]。本文根據(jù)該分洪道工程的實(shí)際情況,選擇典型的二元結(jié)構(gòu)堤段,應(yīng)用三維滲流有限元法對(duì)該分洪道堤防滲流特性進(jìn)行分析,并考慮減壓井工程措施,確定了減壓井的布置方案,供設(shè)計(jì)參考。

圖1 分洪道典型斷面地層分布(單位:m)

1 有限元模型

1.1 有限元網(wǎng)格

根據(jù)分洪道的實(shí)際情況和特點(diǎn),選取分洪道試驗(yàn)段典型區(qū)段50m建立有限元模型。按滲流計(jì)算的一般原則,模型范圍應(yīng)是計(jì)算水頭的2倍以上。由于此工程汛期水頭僅有4.4m,為充分展現(xiàn)該工程滲流區(qū)的特性,故東西岸邊界均截取至排水溝的邊界向外 50m。另外,底邊界截取至底高程-40.00m,頂邊界按堤防設(shè)計(jì)形狀和地形選取。堤頂設(shè)計(jì)高程為8.00m,東堤頂寬6m,西堤頂寬5m,東西兩堤內(nèi)外堤坡及戧臺(tái)邊坡坡比均為1∶3,戧臺(tái)頂高程為5.00m,寬為4 m。計(jì)算坐標(biāo)系規(guī)定如下:取X軸垂直于分洪道中心線,東岸指向西岸為正;Y軸平行于分洪道中心線,上游指向下游為正;Z軸為垂直方向,向上為正,與高程一致。

在綜合分析計(jì)算區(qū)域內(nèi)地形地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上,按實(shí)際情況模擬堤防的主要結(jié)構(gòu),形成三維超單元網(wǎng)格。三維超單元網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)總數(shù)為448個(gè),超單元總數(shù)為108個(gè)。加密細(xì)分后形成三維有限元網(wǎng)格,生成的有限元網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)總數(shù)為71565個(gè),單元總數(shù)為68292個(gè)。計(jì)算模型有限元網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格(單位:m)

1.2 邊界條件

在進(jìn)行洪水期滲流分析時(shí),考慮穩(wěn)定滲流,采用求解無壓滲流固定網(wǎng)格的截至負(fù)壓法來進(jìn)行計(jì)算分析[3-4]。穩(wěn)定滲流分析的邊界類型主要有已知水頭邊界、出滲邊界及不透水邊界3種,即:①已知水頭邊界包括分洪道水位以下的河堤堤岸、河道底以及水平截取邊界中地下水位以下的部分;②出滲邊界為分洪道水位以上的左、右岸分洪道堤面以及排水溝和地面,此外還有地下水位以上的截取邊界;③不透水邊界為模型的底邊界。

2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)資料,堤址區(qū)各地層的滲透系數(shù)分別如表1所示。

表1 堤址區(qū)各地層的滲透系數(shù)

3 滲流場(chǎng)特性分析

考慮分洪道洪水期最不利工況,即分洪道內(nèi)上游水位7.20m,堤外下游水位2.80m(地下水位),典型斷面位勢(shì)分布如圖3所示。可見,由于分洪道地基土C層和D層的滲透系數(shù)較大,堤體和表層土A層和B層的滲透系數(shù)較小,因此,浸潤面在堤體入滲點(diǎn)附近降落最為明顯;其次是在堤后排水溝附近,這部分滲透坡降較大。在河床底部的地層中,等勢(shì)線基本是均勻分布的;在滲流出口處(排水溝附近)等勢(shì)線較為密集,該處水頭損失較大。究其原因,在開挖河道過程中該斷面弱透水性地層A及地層B被挖除,相對(duì)于地層C而言,地層A和地層B本來可起“鋪蓋”作用,顯著地削減水頭,減小滲流出口附近的滲透坡降。而在該斷面上,地層C失去了地層B的保護(hù),水頭損失主要由滲透系數(shù)較大的地層C來承擔(dān),因此,滲流出口處(排水溝附近)的滲透坡降較大。同樣原因也使得該斷面東西岸的滲透坡降差別較大。因?yàn)闁|岸地層B的厚度較小,而西岸地層B較厚(見圖1),因此東岸排水溝附近的滲透坡降較西岸大。

圖3 分洪道水位7.20m時(shí)典型斷面位勢(shì)分布(單位:m)

當(dāng)分洪道水位上升到最高洪水位7.20m時(shí),東岸排水溝附近的最大滲透坡降約為0.957。由地質(zhì)資料可知,該斷面排水溝附近的土層的允許滲透坡降為0.80～0.86,因此,洪水期該區(qū)段的滲透坡降不能滿足要求。

4 減壓井布置方案

為了降低滲流出口附近的滲透坡降,防止發(fā)生管涌和流土,考慮采取減壓井工程措施[5-6]。近幾年可拆換過濾器的減壓井已在長江中游的荊南江堤應(yīng)用,減壓井的淤堵問題得到了較好的解決[7]。本文計(jì)算不考慮減壓井淤堵工況,認(rèn)為其充分排水,主要研究其布置方案。為了確定減壓井的布置方案并構(gòu)造合理的減壓井排滲系統(tǒng)[8],人們進(jìn)行了大量的測(cè)試計(jì)算和分析,包括間距和橫剖面上的位置等,這里僅列出部分情況。減壓井在橫剖面上的布置如圖4所示,其不同間距的計(jì)算工況如下:工況編號(hào)JYJ-1,JYJ-2,JYJ-3,JYJ-4,JYJ-5對(duì)應(yīng)的沿堤軸線方向間距分別為20m,15m,13m,12m,10m,各工況井底高程均為-10.00m,井截面尺寸均為1.0m×0.5m(長×寬)。減壓井的深度設(shè)定為穿透地層B進(jìn)入下臥地層C約3.5m,擬采用的減壓井直徑為80cm?？紤]建模方便,將減壓井橫斷面簡(jiǎn)化為長方形,面積與圓形相等。

圖4 減壓井在橫剖面上的位置(單位:m)

4.1 設(shè)置減壓井時(shí)的位勢(shì)分布

不同減壓井布置方案對(duì)應(yīng)的主要計(jì)算成果如表2所示。表2中位勢(shì)差是指排水溝剖面上同一高程減壓井和兩相鄰減壓井中間位置的位勢(shì)差值。部分工況減壓井剖面和兩相鄰減壓井中間剖面的位勢(shì)分布如圖5～6所示。

從部分工況減壓井剖面和兩相鄰減壓井中間剖面的位勢(shì)分布(圖5～6)來看,由于減壓井的作用,在減壓井剖面上,排水溝附近的滲透壓力明顯降低;而在兩相鄰減壓井中間的剖面上,排水溝附近的滲透壓力最大。滲透壓力沿堤軸線方向的分布呈現(xiàn)峰谷交替的波浪狀。以減壓井間距20m為例,減壓井之間排水溝剖面的位勢(shì)分布如圖7所示,其峰和谷的位勢(shì)差值(西岸)為0.88m。減壓井的間距越大,此位勢(shì)差值越大。表明離減壓井越遠(yuǎn)其減小滲透壓力的作用越弱。從不同間距布置方案的計(jì)算成果來看,該條件下減壓井的影響半徑在7 m以下。

圖5 間距20m減壓井剖面位勢(shì)分布(單位:m)

圖6 間距20m相鄰減壓井中間剖面位勢(shì)分布(單位:m)

圖7 減壓井間距20m時(shí)排水溝剖面的位勢(shì)分布(單位:m)

4.2 減壓布置方案

從各布置方案的計(jì)算成果來看,減壓井剖面排水溝附近的滲透坡降最小,兩相鄰減壓井中間剖面排水溝附近的滲透坡降最大。滲流出口附近最大滲透坡降隨減壓井間距的變化如圖8所示。

圖8 滲流出口附近最大滲透坡降隨減壓井間距的變化

由地質(zhì)資料可知,地層B土體的允許滲透坡降約為0.8。因此,采取減壓井作為減小滲透壓力的工程措施,減壓井的間距不能超過15m。 建議取減壓井的間距為12m,井徑為0.8 m,底高程為-10.00m,沿堤岸邊坡排水溝布置。

5 結(jié) 語

根據(jù)穩(wěn)定滲流基本理論,采用等效連續(xù)介質(zhì)模型建立某分洪道典型區(qū)段的三維有限元模型,分析了堤體及地層的滲流特性,在滲透坡降超出允許值的情況下,采用減壓井措施,并通過計(jì)算確定合理的減壓井間距。

a.在開挖分洪道過程中,部分區(qū)段弱透水性地層全部或部分被挖除。這些區(qū)段失去了表面弱透水地層的“鋪蓋”作用,使得下臥中等透水性地層直接面臨分洪道內(nèi)的洪水,從而導(dǎo)致滲流出口(排水溝附近)的滲透坡降增大,超出了相應(yīng)土體的允許滲透坡降。

b.采取減壓井作為減小滲透壓力的工程措施,減壓井間距應(yīng)不超過15m。建議取減壓井的間距為13m,井徑為0.8m,底高程為-10.00m,沿堤岸邊坡排水溝布置。此時(shí)最危險(xiǎn)剖面的最大坡降可減小至0.60以下。

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