基于GeoStudio滲流模擬的堤防堤身材料優選

李治軍,董 智,陳 末,盧 松

(1.黑龍江大學寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

中國是洪災、潮災較為嚴重的國家，堤防是抵御洪水、潮水危害的一個基礎工程。但由于堤防兩側存在較高的水頭差，致使堤身及地基存在滲流，影響堤防穩定[1-4]。因此，掌握堤身及地基的滲流特點，便可以采取合理措施改變滲流情況來提升堤防穩定。不同材料的滲透系數是影響堤身及地基的滲透的重要因素之一，因而研究不同滲透系數材料組成的堤防及地基滲流規律有著重要意義。現國內主要使用的滲流分析軟件有理正、ANSYS、Autobank、GeoStudio 4款軟件。其中加拿大巖土公司開發的GeoStudio軟件中的滲流穩定分析模塊(SEEP/W)可以對復雜的滲流情況進行精確的分析，計算結果快，更人性化，有較高的實用性，可以符合實際工程技術和精度的要求[5-8]。

現對堤防工程3種不同地基(基層細砂、粉質土壤、中密夾砂粉質黏土)情況下，分別設定低液限黏土、粉質黏土、黃土、砂性土4種不同的堤身工程材料，利用GeoStudio 2012軟件的SEEP/W模塊對堤防工程進行滲流數值模擬，直觀地顯示出堤防整體的滲流情況，再通過對比分析，可以迅速篩選出不同地基條件下適合的堤身材料，為堤防工程建設提供相關科學支撐。

1 堤防概況

華中地區某河因洪澇災害阻礙農業與經濟的發展而需修建堤防，該堤防工程共有5段堤防，總長度121.75 km。河床表層地質一般多為夾砂粉質土壤、細砂為主的夾砂土壤以及粉質土壤，強度低，工程地質條件較差，但是深層基巖節理結構發育完全。現取其中一段堤防工程，河道水深5 m，堤頂設計寬度5 m，迎水坡坡比1∶3，背水坡坡比1∶2，堤趾距坡頂24 m，堤踵距坡頂16 m，堤防斷面為梯形堤防，地基厚度為4 m，斷面示意見圖1。現根據河床的地質狀況，在模擬時將地基材料定義為基層細砂、粉質土壤、中密夾砂粉質黏土，堤身材料設定為堤低液限黏土、粉質黏土、黃土、砂性土等4種材料。

圖1 堤防斷面示意

2 模型構建

GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊采用有限元分析的方法，可自動生成四邊形和三角形網格將設計的剖面分割成任意尺寸小單元格。以此為基礎，能模擬復雜多孔介質的地下水滲流和超孔隙水壓力消散問題，即可計算飽和、非飽和滲流，也可模擬計算穩定、非穩定水頭滲流[7,9-13]。本文構建的堤防滲流模擬模型包括二維滲流控制方程、初始條件和邊界條件，并利用SEEP/W模塊對水頭不變的堤防進行滲流模擬計算。

模型構建過程可分為建立幾何模型、劃定材料區域、網格剖分與定義材料屬性、材料填充、設置邊界條件和求解并輸出結果等6個步驟[14]：①用AutoCAD 2016作出圖形，保存成DXF格式，導入GeoStudio 2012，設置比例和坐標生成基本底圖；②繪制材料區域；③剖分區域生成單元格，單元格尺寸為0.1 m，共劃分34 482個節點，33 956個單元[15]，設定劃分區域的材料屬性，所選的材料屬性見表1；④材料填充；⑤設定新的邊界條件，給定穩定水頭為河道水深5 m；⑥結果輸出，根據實際要求可輸出總水頭、滲流速率、水力梯度、孔隙水壓力等多種參數云圖。其中，指定邊界條件是滲流數值分析的關鍵，邊界條件直接決定滲流計算結果，GeoStudio的SEEP/W模塊中邊界條件可以選擇輸入邊界水頭或邊界滲流量，本次模擬選擇輸入邊界水頭[16-17]。

表1 不同材料的滲透系數

根據所研究的堤防概況，把基層細砂、粉質土壤、中密夾砂粉質黏土設定為地基材料。在同一種地基和同種水頭的情況下設定不同的堤防堤身材料，利用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊進行模擬。根據模擬結果確定堤身選材優良區間、堤身滲流逸出段和地基滲流逸出段位置，進而提出堤防材料搭配建議和有效防滲措施。

3 模擬結果分析

3.1 基層細砂地基的滲流模擬及分析

模型地基材料定義為基層細砂，基層細砂的滲透系數6.01×10-2m/s，將堤身材料設定為低液限黏土、粉質黏土、黃土、砂性土等4種。將堤身材料的滲透系數輸入模型中，觀察堤身與地基間的滲流變化情況，從總水頭、滲流梯度2個方面來做滲流參數分析，基層細砂地基模擬結果見圖2、3。

由圖2觀察可知，隨著堤身材料的改變即材料的滲透系數的改變，可以發現以下變化：①隨著滲透系數的增大，地基分布的滲流路徑逐漸稀疏，堤身分布的滲流路徑逐漸密集，最高水頭和最低水頭區域變大且水頭變化線逐漸縮短，滲流途徑變短，堤身滲流逸出段與地基滲流逸出段位置后移；②粉質黏土堤身底部滲流總水頭變化路徑最長，數值變化平緩且滲流路徑分布均勻，相對其他3種堤身滲流更為穩定，安全性更高。

a) 低液限黏土堤身總水頭變化云

b) 低液限黏土堤身底部總水頭變化

c) 粉質黏土堤身總水頭變化云

d)粉質黏土堤身底部總水頭變化

e) 砂性土堤身總水頭變化云

f) 砂性土堤身底部總水頭變化

g) 黃土堤身總水頭變化云

h) 黃土堤身底部總水頭變化

圖2基層細砂地基總水頭變化

由圖3a—3d的觀察可以得出：4種堤身材料中粉質黏土和黃土滲流梯度分布均勻，且未出現最大滲流梯度變化。粉質黏土和黃土二者之間粉質黏土較黃土的滲流矢量路徑分布更為均勻，滲流更為穩定。同時，由模擬變化過程可知，隨著堤身滲透系數的逐漸變大，滲流路徑是逐漸變短且地基滲透系數與堤身滲透系數相差越大越易出現集中滲流，在運行期間可能會發生流土或管涌[3,18-21]。

a) 低液限黏土堤身滲流梯度云

b) 粉質黏土堤身滲流梯度云

c) 砂性土堤身滲流梯度云

d) 黃土堤身滲流梯度云圖3 基層細砂地基滲流梯度參數云

3.2 粉質土壤地基的滲流模擬及分析

模型地基材料定義為粉質土壤，粉質土壤滲透系數8.5×10-3m/s。只改變地基材料這一變量，堤身材料設置與3.1設置相同，然后對堤防斷面的孔隙水壓力、總水頭變化和滲流梯度(水力坡降)這3個參數進行分析，粉質土壤地基模擬結果見圖4、5。

觀察分析圖4可得以下結果：①從堤身孔隙水壓力云圖可得，堤身材料的變化對孔隙水壓力分布變化影響不大，依舊是滲流路徑分布變化明顯，其中以黃土堤身模擬的滲流路徑最優；②從總水頭變化圖可知，與基層細砂地基相比，相同堤身材料在粉質土壤地基情況下，總水頭變化更加平緩且總水頭變化最佳情況是在堤身材料被設置成黃土。

由圖5a —5d可知：①不同堤身材料的滲流梯度模擬結果存在較大差異，當堤身材料設定成砂性土時，最大滲流梯度為0.9同比其他材料最小，但是砂性土堤身模擬出的滲流梯度變化較快，不利于堤防穩定，見圖5c；②在堤身材料為低液限黏土、粉質黏土時，滲流梯度變化在地基處近乎沒有，只出現在堤身，對堤防穩定不利，當堤身材料為黃土時，滲流梯度變化緩慢且分布較為均勻，沒有出現最大的滲流梯度變化，模擬結果最好。

a) 低液限黏土堤身孔隙水壓力云

b) 低液限黏土堤身底部總水頭變化

c) 粉質黏土堤身孔隙水壓力云

d) 粉質黏土堤身底部總水頭變化

e) 砂性土堤身孔隙水壓力云

f) 砂性土堤身底部總水頭變化

g) 黃土堤身孔隙水壓力云

h) 黃土堤身底部總水頭變化

圖4粉質土壤地基孔隙水壓力云及總水頭變化

a) 低液限黏土堤身滲流梯度云

b) 粉質黏土堤身滲流梯度云

c) 砂性土堤身滲流梯度云

d) 黃土堤身滲流梯度云圖5 粉質土壤地基滲流梯度云

3.3 中密夾砂粉質黏土地基的滲流模擬及分析

模型的地基材料定義成中密夾砂粉質黏土，中密夾砂粉質黏土滲透系數2.6×10-3m/s。只改變地基材料這一個變量，堤身材料設置與3.1相同，然后對滲流速率這一個參數進行分析。同時與地基為基層細砂和粉質土壤時候的情況作比較，然后觀察分析三者間的異同。中密夾砂粉質黏土地基的滲流模擬結果見圖6。

由圖6a — d可知，在堤身材料設置為低液限黏土時，地基滲流路徑集中，出現集中滲流的可能性最大；在堤身材料變為黃土時滲流路徑分布均勻，且最大滲流流速面積較小；在堤身材料為砂性土時，滲流路徑主要分布在堤身，對堤防穩定性不利。將3種地基的最大滲流速率采集制成折線見圖6e，可以發現，在采用相同堤身材料時，粉質土壤地基的最高滲流速率最大，中密夾砂粉質黏土次之，地基為基層細砂時的滲流速率最小。但是，三者的變化趨勢相同且在堤身材料變為黃土之后重合。

a) 低液限黏土堤身滲流速率云

b) 粉質黏土堤身滲流速率云圖6 中密夾砂粉質黏土地基XY速率參數云及最高滲流速率變化

c) 砂性土堤身滲流速率云

d) 黃土堤身滲流速率云

e) 最高滲流速率變化續圖6 中密夾砂粉質黏土地基XY速率參數云及最高滲流速率變化

4 結論

a) 材料處于飽和狀態且在水位不變的情況下，堤身材料與地基材料的滲透系數越相近，滲流路徑分布越均勻，不易產生集中滲流情況；堤身材料滲透系數比地基滲透系數大2個及2個以上的數量級時，易發生集中滲流，需做好地基的防滲透破壞措施。例如，做水平鋪蓋、打板樁來延長滲徑[22-25]。

b) 總的模擬結果顯示，堤防地基與堤身的材料分別為基層細砂-粉質黏土、粉質土壤-黃土、中密夾砂粉質黏土-黃土3種組合時，堤防滲流路徑最均勻，水力梯度小且變化平穩，總水頭變化緩慢，堤防最為安全穩定。