基于有限元法的堤防工程堤后加設蓋重滲透比降影響分析

任 弈

(丹東市水利勘測設計研究院，遼寧 丹東 118000)

1 工程基本概況

MC堤防工程位于愛河流域內。愛河是鴨綠江較大支流之一，也是丹東市境內最大的1條河流，流域位于E123°41′-124°45′，N40°10′-41°05′之間，東接蒲石河，南臨鴨綠江，西與大洋河相鄰，北以太子河分水嶺為界。愛河發源于寬甸雙山子鎮老木垛子嶺，流經寬甸、鳳城和丹東市振安區，于九連城鎮注入鴨綠江。愛河干流全長191.7 km。流域面積5300 km2。由M堤防工程構成的防洪區,保護對象為五個自然行政村,總面積為1400hm2，防洪堤工程設計洪水標準50a一遇,堤防級別2級。

2010年8月19—22日，丹東地區遭遇歷史罕見暴雨和大暴雨，平均降雨量比丹東地區有記錄歷史最大561mm(1958年8月4日)多66mm，MC防洪堤險情嚴重，堤后出現管涌現象。當地水利部門及部隊官兵連夜奮戰，才將險情控制住[1]。

為了保護愛河流域MC段的沿河兩岸的群眾生命和財產安全，當地政府進行除險加固建設MC堤防工程。文章以此工程為例，對堤防工程建設方案進行了比選，并對堤防工程堤后加設蓋重的滲透比降影響進行了計算分析。

2 工程水文地質概況

愛河江流域屬中溫帶濕潤氣候區，多年平均降水量為800-1000mm。降水量集中于汛期，7-8月降水量約占年降水量的1/2。多年平均蒸發量為1000-1100mm。丹東站流域多年平均氣溫為8.5℃，最冷月份平均氣溫-8.8℃，極端最高氣溫34.3℃，極端最低氣溫-28.0℃；多年平均降水量1101.5mm，多年平均蒸發量1075.9mm(20cm口徑)；多年汛期最大風速的平均值為13m/s，汛期的主風向為SSE[2-6]。

工程場地地震動峰值加速度為0.15g，地震基本烈度7°。土類型為中硬場地土，場地類別為Ⅱ類，最大凍深為1.20m。該工程堤基地層主要有粉質黏土、細中砂和卵石，堤基地質結構為多層結構。其中粉質黏土位于現有堤防以內的一級階地的上部，細中砂局部存在于卵石層上部或夾在卵石層之中，而卵石層位于現有堤防底部和堤防以外的河漫灘。各土層滲透變形及水力比降，見表1；各土層滲透系數，見表2。

表1 場地各土層滲透變形及水力比降

表2 場地各土層滲透系數表

3 堤防建設方案比選

3.1 堤防建設有以下3個方案

1)方案1：迎水側堤身防滲斜墻。由于現場缺乏防滲土料，擬采用土工膜做為防滲材料，迎水側設計洪水位+0.5m以下坡面及河灘水平面鋪設一層土工膜，水平鋪設長6m。

2)方案2：背水側設置水平壓滲蓋重。在清理好的背水側堤坡上先鋪一層土工布，在背水側坡面上填充砂礫料，頂部高程高出逸出點1.0m以上。

3)方案3：堤身垂直防滲。在堤頂沿堤防走向用開槽機在堤身內垂直成槽，然后鋪設土工膜并用黏土漿回填。

3.2 方案特點

1)方案1：施工簡單易操作，與迎水側坡面護砌融為一體。

2)方案2：施工簡單易操作，所需材料當地儲量豐富，并能達到增大堤坡安全穩定系數，但背水側占地較多。

3)方案3：施工機械特殊，施工難度大，對原堤身結構產生破壞，影響堤身結構抗滑穩定。

通過比較以上3種方案的特點，方案3施工困難，不易操作，且對原堤身結構影響較大，本次設計僅對方案1、方案2進行經濟比較。每延米方案1造價2497元，方案2造價1384元，故采用方案2。

現狀堤防迎水側護砌良好，且擬處理段背水側具有充足的加固位置，本次設計MC防洪堤堤基加固采用堤后設置水平壓滲蓋重。蓋重施工簡單易操作，所需材料當地儲量豐富，并能增大堤坡安全穩定系數，運行管理及維護都較優越，缺點是背水側占地較多[7-11]。

4 加蓋重前滲流計算分析

MC防洪堤現狀堤頂寬度6.0m，迎水坡坡比為1∶1.6，背水坡坡比1∶2.0，堤防迎水坡采用綠濱墊砌石護坡，厚度為30cm，內部有砂卵石墊層，并下設土工布，固濱籠護腳。

根據地質以及設計水面距堤頂高度、堤身原有土質、料場土質及堤基土質等條件的不同，并且按照設計洪水位距堤后地面高程等因素綜合考慮，選取計算斷面，MC河段堤防計算斷面圖，見圖1。

圖1 MC河段堤防計算斷面圖

利用有限元計算的各點比降，MC河段堤防有限元計算斷面成果圖，見圖2；同時通過利用有限元計算加蓋重前浸潤線及加蓋重前滲透比降，加蓋重前浸潤線成果表，見表3；加蓋重前滲透比降計算成果表，見表4。

圖2 MC河段堤防有限元計算斷面成果圖

表3 加蓋重前浸潤線成果表

表4 加蓋重前滲透比降計算成果表

根據利用有限元分析軟件計算，從表4、表5中可以看出，MC堤基滲透比降均>允許滲透比降，不滿足要求，需對堤基進行加固處理。

5 堤基加設蓋重設計分析

5.1 蓋重長度計算

MC防洪堤蓋重長度均按照《堤防除險加固實用技術》布萊蠕變化比進行近似計算[12]，計算公式為：

式中：CB為布萊蠕變化，堤基材料為卵石，取9；X1為堤前防滲鋪蓋有效長度，m；L為堤防底寬，m，寬29.29m；h為堤防凈水頭，m，高3.87m；X為背水側壓滲蓋重戧體的寬度，m。

經計算，MC防洪堤：X1=0m，計算X=5.54m，取X=6.00m；設計背水側壓滲蓋重長度6.00m。

5.2 蓋重厚度計算

蓋重厚度的計算采用《堤防工程設計規范》GB50286-2013公式，計算公式為：

(2)

式中：ti為蓋重厚度，m，計算值2.11m，取2.20m；hi為根據滲流計算求得的表層弱透水層的承壓水頭，m，1.65；Gs為表層弱透水層土粒的比重，2.65；n為表層弱透水層土粒的孔隙率，0.383；t1為表層弱透水層厚度，m，0.5；ρ為蓋重砂礫料的密度，均為2080kg/m3；ρw為水的密度，取1000kg/m3；K為蓋重安全系數，取1.5。

經過計算，堤后蓋重材料采用砂礫料填筑，填筑厚度自背水側堤腳向上高度2.17m，實際設計中填筑砂礫料厚度2.4m(其中包括底部清基0.20m厚)。

5.3 蓋重反濾層設計

根據《土工合成材料應用技術規范》(GB/T50290-2014)計算反濾層—土工布。

土工布保土性計算公式：

O95≤Bd85

(3)

式中：O95為土工織物的等效孔徑，mm；d85為土的特征粒徑，mm，按土中<該粒徑的土粒質量占總土粒質量的85%確定，卵石d85=45mm；B為系數，按工程經驗確定，取1。

經計算，土工布O95≤45mm。

土工布透水性計算公式：

kg≥Aks

(4)

式中：A為系數，按工程經驗確定，取10；kg為土工織物滲透系數，cm/s，ks應按其垂直滲透系數kv確定；ks為土的滲透系數，cm/s，卵石ks=4.0*10-1cm/s。

經計算，土工布kg4.0*10-1cm/s。

土工布防堵性應符合下列要求：以現場土料制成的試樣和擬選土工織物在進行淤堵試驗后所得梯度比GR應符合GR≤3。

綜合上述計算得出，本次設計土工布O95≤45mm，kg≥4.0*10-1cm/s，GR≤3。根據《土工合成材料短纖針刺非織造土工布》(GB/T17638-2017)中所列出土工布指標選取，15kN/m土工布滿足本次設計要求。

5.4 蓋重型式確定

在清理好的背水側堤坡上先鋪一層15kN/m土工布，再填筑砂礫料，填筑厚度自背水側堤腳向上高度2.4m(其中包括底部清基0.20m厚)，蓋重頂寬6m，坡比1∶2.0，頂部高度至少在逸出點以上1.0m，MC河段堤防加蓋重后計算斷面圖，見圖3。

利用有限元分析軟件，計算堤后加蓋重后滲流情況，MC河段堤防加蓋重有限元計算斷面成果圖，見圖4；同時通過利用有限元計算加蓋重后浸潤線及加蓋重后滲透比降，加蓋重后浸潤線表，見表5，加蓋重后滲透比降計算成果表，見表6。

圖3 MC河段堤防加蓋重后計算斷面圖

圖4 MC河段堤防加蓋重有限元計算斷面成果圖

表5 加蓋重后浸潤線表

表6 加蓋重后滲透比降計算成果表

根據利用有限元分析軟件計算，從表5、表6中可以看出，MC堤工程加蓋重后基滲透比降均小于允許滲透比降，滿足要求。

6 結 論

通過對比計算，證明堤后加設土工布及砂礫料蓋重兼具透水及壓重的作用，能夠使得原堤后坡堤腳位置的滲透比降有效降低，預防了堤后管涌導致的滲透破壞，達到了“保土排水”的作用。同時，MC堤防工程加設土工布及砂礫料蓋重技術將在遼寧地區河道堤防工程建設起到了示范作用。