基于水力模型試驗的堤防工程安全運營分析研究

黃健華

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概 述

堤防工程作為防洪水利樞紐，其安全運營關乎防洪安全以及水資源的安全利用等，研究堤防安全長期穩定運營對提升防洪設計以及水利安全意識均有重要意義[1-3]。目前，一些學者與專家采用數值試驗的方法，借助仿真軟件建立水工結構模型，并根據工程現場實際工況施加約束荷載，研究水工模型破壞過程或運營過程應力位移分布特征；另一方面，亦可采用滲流模擬研究手段，分析滲流場分布演化特征，為工程除險加固或水利設計提供參考[4-6]。由于工程現場實際運營過程中變化較大，因而在現場安裝微震監測儀或其他現場監測儀器，可實時對工程現場安全狀態進行分析，并及時預判工程運營安全穩定性[7-9]。水工物理模型試驗對研究現場實際運營過程中工程結構狀態提供了重要的研究手段，很多專家學者利用模型試驗理論在室內建立水工結構模型，分析模型滲流、潰壩、動力響應等特征，為水利設計提供重要的試驗依據[10-12]。本文利用水力模型試驗，研究堤防工程在高水位運營過程中邊坡安全性以及滲流場演化特征，為堤防樞紐工程長期安全運營評價提供參考指標。

2 模型試驗介紹

2.1 工程概況

某防洪樞紐工程作為地區內調水、控水、蓄水等復合型水資源調度水利設施，為地區供水以及水資源凈化修復提供重要作用，年可供水量超過300×104m3，按照50年一遇洪水位設計攔水大壩，確保水資源安全高效利用。該樞紐工程包括泄洪閘、抽水泵站、攔污柵以及堤防大壩等水工結構，其中泄洪閘設計為多孔式水閘，單孔尺寸為5 m×3 m，閘門采用弧型鋼閘門，半徑為1.8 m，以液壓式啟閉機作為開度控制設施，確保通行流量對水工結構以及下游用水工程不產生水力威脅。攔污柵與堤防大壩一起構成上游水位重要的水利控制結構，堤防大壩長度超過1 000 m，壩頂寬度為3 m，壩體主要為砂土堆料及細礫石土，含水量較低，部分細礫石土沉降變形較大，室內初步測試彈性模量遠高于普通堆石料體；壩身表面鋪設土工布，壩趾處設置厚70 cm防滲墻，共同構成堤防大壩防滲系統。現由于該堤防大壩運營年限較長，部分堤段出現滲流活躍，下游河坡的混凝土灌漿設施出現局部失穩現象，分析認為該堤防大壩運營穩定性欠佳，局部壩身應進行加固維護。為此，工程設計部門討論先利用物理模型試驗理論，設計堤防工程模型試驗，研究有關堤防安全的邊坡、滲流場狀態等特征參數，為評價堤防安全運營及加固除險提供重要參考。

2.2 模型試驗介紹

本文重點分析的堤段為Z2+120～Z2+128斷面處，上下游坡度比均為1/3.5，邊坡軸線長度為15.4 m，堤腳水平延伸至其他壩腳或壩趾處，此設定為模型工程的邊界，上覆土層為砂土，該區段內礫石料沉降變形較大，局部還存在有下臥粉土，對堤防安全具有重大威脅，因而模型試驗也以該斷面為基礎開展分析研究，并逐步擴展至其他區段內，該區段堤防斷面圖見圖1。

圖1 堤防斷面圖

為確保模型試驗結果準確性，設定模型長度比尺為10，滲流作用力以及其他運動力等比尺亦設定為10，室內模型所用土料均為現場鉆孔取樣所得天然堆料，各水工設施均按照現場實際長度按照長度比尺為10進行縮放制作，另滲流運動時間比尺參數亦為10，填筑以及滲流運動均按照實際工況運營進行；樞紐工程工程中的水利調控采用抽水泵站與液壓升降裝置作為調水控制設施，該裝置見圖2。

圖2 模型試驗調水控制設施

為確保試驗過程中相關滲流特征以及水力特征能夠準確獲取，設置測壓管至堤防模型內部，每個測壓管之間間距為25 cm，可實時傳輸相關數據至孔隙水壓力監測系統內；邊坡地形沖刷監測采用全自動地形測量系統，測量精度為1 mm；還設置有相關堆石料壓力計以及變形監測傳感器等，位移傳感器安裝位置見圖3，最大間距為60 cm。

圖3 位移傳感器安裝位置圖

為與實際工程運營下保持一致，本文堤防工程物理模型所設定上游水位分別為56.5與57.5 m兩個水位方案。另堤防邊坡浸泡時間分別設定為6 d、8 d，堆石料試驗方案按照砂土占比分別為超過50%的多砂區段、堤段砂土占比100%的全砂堤段。具體試驗方案表見表1。

表1 試驗方案表

試驗步驟按照如下進行：

1) 利用調水控制設施對上游進水口放水，持續調水上游水位至模擬工況目標水位，同時各個測壓管調試排氣，確保測壓監測系統工作狀態完好。

2) 水位至目標水位后，堤防模型持續處于高水位浸泡，持續時間按照具體實驗方案設定，并全程實時記錄堤防模型相關滲流特征及堆石料土壓力變化。

3) 高水位浸泡過程中，全自動地形測量儀應在清零后持續測繪，每完成一個試驗方案應獲得一個全程地形圖數據。

4) 結束各項數據的測定，繼續進行其他試驗方案組。

3 堤防邊坡穩定性試驗結果

3.1 高水位蓄能下邊坡穩定性

經模型試驗觀測及相關數據整理，獲得高水位蓄能下堤防邊坡地形高程變化曲線，見圖4。

圖4 堤防邊坡地形高程變化曲線

從圖4(a)水位蓄能前后對比特征曲線可看出，高水位下堤防邊坡整體均發生了沉降變形，地形高程相比初始干燥地形下最大降低幅度達1.8%，位于斷面61.4 cm處，相比其他斷面處下降幅度，此處顯著較高。分析認為該斷面是分層堆筑施工的起點，當地層受到分層壓實影響，耦合沉降變形與水流侵蝕影響，因而地形高程降低較大。在堤防邊坡中間斷面40～80 cm處，整體上幅度下降基本一致，無顯著差異性，平均下降幅度為0.9%，該地段主要受到高水位蓄能水流沖蝕效應影響，堤防邊坡產生流土，導致堤防堤腳土體滑移至末端，且隨著時間推移，流土沖刷現象更顯著，因而在堤防末端局部的地形出現上漲特征，區段長度占監測面的13%，上漲幅度約為0.07%。

圖4(b)為多砂斷面堤防工程在相同水位下地形高程變化曲線。從圖4(b)中可看出，與圖4(a)不同，整體上地形高程變化幅度減小，地形最大變化幅度出現在斷面20 cm處，降低幅度為0.6%，分層堆筑斷面15 cm處地形沉降變化幅度為0.2%，相比全砂斷面均較小；在堤防坡腳末端，局部監測點地形高程漲幅可達0.1%，即滲流運動導致流土沖蝕堆積至末端。分析認為，多砂斷面中存在少部分黏土與粉土等其他土體，相比全砂斷面堤防土顆粒之間黏聚力較大，可一定程度上減弱由于高水位對堤防坡腳的沖蝕效應。

3.2 水位驟降期下邊坡穩定性

圖5為水位驟降期堤防工程斷面地形高程云圖。

圖5 水位驟降期堤防工程斷面地形高程云圖

從圖5可看出，坡腳處地形高程分布在52～56 m，相比堤防模型中間區域降低了3～4倍，為此本文給出水位驟降期兩個不同土層斷面地形高程對比曲線，見圖6。

從圖6可看出，多砂斷面地形高程相比初始地形不僅有所漲幅的斷面，亦有地形高程下降的斷面。在斷面44 cm處，地形高程相比初始堤防斷面增長0.4%，且達到全斷面上最大高程，達-53.6 m；在斷面92 cm處，是全斷面地形高程最低處，相比初始斷面降低0.85%，表明水位驟降過程中不僅使堤防模型中局部土體流失，同時也會造成部分斷面土體堆積嚴重。筆者認為多砂堤防模型在水位驟降過程中滲流作用仍會保持較高活躍，并持續沿著背水側坡面運動，并聚集在背水側，并與黏性較大的粉土、黏土等土體結合，形成局部孔隙水壓差斷面，因而造成部分地形高程增大，地形表面凸起。與多砂斷面呈顯著差異的是全砂斷面，水位驟降過程中全斷面地形高程均為下降，最大下降幅度達0.5%，由于全砂斷面中不存在黏聚力特性，因而當水位驟降期水位急劇變化時，迎水側滲流水壓力在土層內無較強黏結性約束作用，將土層內堆筑料“裹挾”流失[13]，造成地形沉降，特別是在堤防模型中間斷面40～50 cm處。

圖6 堤防地形高程變化曲線(水位56.5 m驟降期)

為研究不同水位條件下驟降過程中地形變化特征，分別對水位56.5和57.5 m兩種水位方案開展分析，見圖7。

圖7 堤防邊坡地形高程變化曲線(不同水位驟降期)

從圖7中地形高程對比可看出，水位56.5 m下地形高程受水位驟降期影響顯著，最大降低幅度達5.5%；在水位57.5 m驟降過程中，其最大降低幅度達9.2%。分析認為，當水位愈高時，水位下降過程中堤防模型內部土體滲流仍保持較高或活躍狀態，愈大的水頭壓力與土體內部滲流作用壓力產生差距愈大，從而造成土層受到的沉降變形較大。綜合分析認為，水位驟降期堤防模型土層穩定性影響主要與原始水位以及堤防模型土層有關，從工程安全運營角度考慮，堤防堆筑材料應保證多類型復合料，水位快速變化過程中應加固部分危險區段。

4 堤防工程滲流場試驗結果

4.1 孔隙水壓力

圖8為兩個水位方案下堤防模型相同深度下不同軸向位置處測壓管中孔隙水壓力變化曲線，圖8中測壓管位置參數指測壓管與迎水坡埋設距離。從圖8中測壓管位置參數與孔隙水壓力量值變化可知，位置參數愈大，則孔隙水壓力愈小，當為相同時間第4天時，位置參數為20 cm的測壓管中孔隙水壓力為2.52 kPa，而位置為40、60和80 cm的測壓管孔隙水壓力值相比前者分別降低72.6%、76.6%和97.7%。兩種水位下孔隙水壓力分布與測壓管位置參數關系均為一致，試驗水位增大至57.5 m后，相同測壓管中孔隙水壓力有所增長，位置參數為40 cm測管在第3天時水位56.5 m中孔隙水壓力為0.98 kPa，而水位57.5 m下相比前者增大70.5%。綜合表明，孔隙水壓力受迎水側邊坡內滲流運動影響，愈靠近迎水側，滲流活動愈強烈，反映出的孔隙水壓力愈大；而蓄水位愈大，堤防模型內部土體孔隙水壓力可得到促進，反映相同位置參數的測壓管則孔隙水壓力值較大。

圖8 測壓管中孔隙水壓力變化曲線(水位影響)

圖9為相同軸向位置下不同埋深測壓管孔隙水壓力變化特征曲線，圖9中位置參數指測壓管埋深距離。從圖9中曲線變化可知，測壓管埋深位置與孔隙水壓力為正相關關系，當堤防模型為多砂斷面時，在第3天埋深距離為10 cm時孔隙水壓力為0.7 kPa，而埋深距離增大至30和50 cm后，孔隙水壓力相比前者分別增大2.1倍和3.85倍。當堤防模型為全砂斷面時，前述埋深距離間孔隙水壓力差距幅度為23.1%和34.6%，即全砂斷面堤防模型孔隙水壓力分布受埋深距離影響較小。分析表明，全砂斷面由于土體較單一、黏聚力為零的特點，不同深度處孔隙水壓力受土體性質影響較小，因而各埋深處測壓管孔隙水壓力變化幅度亦較小。

圖9 測壓管中孔隙水壓力變化曲線(土質影響)

4.2 土壓力

圖10為兩種不同水位下各組壓力計所測土壓力變化特征。從圖10中可看出，土壓力整體呈先增長至穩定后減小的態勢變化，水位56.5 m下最大土壓力可達7.03 kPa，相比初始測點土壓力增長70.6%，而蓄水位增大至57.5 m后，土壓力增長幅度可達3.34倍，水位愈高，土壓力變化幅度愈大；當堤防模型處于長期高水位運營下時，堤防內部土體滲流趨于穩定，土壓力保持相對穩定狀態，當第5.3天開始水位下降后，水位56.5 m工況中隨機出現土壓力快速回落，而水位57.5 m工況下土壓力下降在水位下降后第6.2天，即水位愈高，土壓力回落期相對較滯后。筆者認為，水位回落期，總壓力快速減小，而堤防模型內部土體滲流作用在高水位下已逐漸蔓延至背水側，水位愈高工況下降時，滲流作用對土體孔隙水壓力影響愈大，進而則影響土壓力變化的時間節點相對更滯后。

圖10 不同水位下各組壓力計所測土壓力變化特征

5 結 論

1) 研究了高水位蓄能下堤防邊坡受水流沖蝕影響，坡面均有沉降變形，最大降低幅度達1.8%，坡腳末端有一定上漲，增長幅度約0.07%；多砂斷面堤防沉降變形受存在一定黏聚力影響，沉降變形相比全砂斷面堤防要小，最大降低幅度為0.6%。

2) 分析了水位驟降期下多砂斷面堤防模型地形有漲有降，最大高程為-53.6 m，全砂斷面堤防模型均為沉降變形，最大下降幅度達0.5%；水位愈高，地形沉降變形愈受影響，受孔隙水壓差影響，水位57.5 m驟降過程最大降低幅度達9.2%。

3) 獲得了堤防模型土體孔隙水壓力與測管距迎水坡的距離為負相關關系，但與測壓管埋深位置為正相關，第3天時位置為40、60和80 cm的測壓管孔隙水壓力值相比距離20 cm下分別降低72.6%、76.6%和97.7%，而埋深距離30、50 cm的測管孔隙水壓力相比埋深10 cm下分別增大2.1倍和3.85倍；水位增大，相同位置處測壓管中孔隙水壓力增大；全砂斷面堤防模型孔隙水壓力分布受埋深距離影響較小。

4) 研究了堤防模型中土壓力整體呈先增長至穩定后減小的態勢，水位56.5 m下最大土壓力可達7.03 kPa，水位愈高，土壓力變化幅度愈大，水位57.5 m時土壓力增長幅度可達3.34倍，但水位愈大，土壓力回落期相對較滯后。