過堤工程建設對堤防滲流穩定的影響分析

閻苗淵

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

堤防的安全與人民生命財產安全息息相關。大量的洪水災害數據表明，堤防的滲流穩定計算十分重要，滲流穩定達不到要求容易造成堤防安全事故，并容易引起二次危害的隱患。本文以1座2000 t級臨時船舶物料裝卸平臺為例，在橫門水道左岸民眾作業區(嘉信碼頭)下游約350 m處建設一座物料裝卸平臺和農路過堤工程，采用有限元方法分析穩定流及非穩定流中多種邊界條件、多種材料的堤壩或土體的滲流分析。

1 工程概況

中山市產業平臺(民眾園)綜合開發PPP項目位于中山市民眾鎮南部，西至人民路，西北接民眾鎮已建成區，東北至三寶瀝，南至橫門水道，包括義倉村、裕安村、群安村、沿江村、錦標村、接源村、民平村。項目總體合作區域規劃占地面積約43.71 km2，中山市民眾鎮人民政府與梓寧建設集團有限公司，制定5年建設規劃和近期18個月的具體攻堅計劃，政府正加快推進民眾大道、眾安大道兩條園區主干道以及綜合管廊等配套設施建設。為積極響應國家號召，順應中山市城市發展規劃，實現民眾建設藍圖，梓寧建設集團有限公司擬在橫門水道左岸民眾作業區(嘉信碼頭)下游約350 m處建設一座物料裝卸平臺和農路過堤工程，為民眾園的建設提供建材運輸服務[1]。

裝卸平臺防洪標準采用50年一遇，水工建筑物按Ⅱ級建筑物進行設計。裝卸平臺位于橫門站對面，根據水利部珠江水利委員會2009年1月《西、北江及三角洲主要控制水文站設計洪水成果及水位～流量關系復核報告》，工程附近橫門站各頻率水位見表1。橫門水文站資料延長至2016年，經復核，橫門水文站50年一遇洪水位與本次成果接近，因此采用已批復的成果，即橫門水文站50年一遇洪水位為2.49 m。橫門水文站30年一遇設計低潮水位為-1.24 m，多年平均潮水位為0.18 m，多年平均低潮水位為-0.48 m。

表1 橫門水文站各頻率洪潮水位 單位：m

2 工程建設對堤防滲流穩定影響分析

2.1 計算原理及計算方法

滲流分析采用有限元方法，有限元方法是依據非飽和土理論、根據基本的滲流理論——達西定律等，采用有限元方法分析穩定流及非穩定流中多種邊界條件、多種材料的堤壩或土體的滲流分析。本次堤身滲流穩定使用河海大學工程力學系研制的《水工結構分析系統軟件AutoBank7.41》進行分析計算，該軟件計算分析滿足上面計算理論要求。

2.2 模型概化

梓寧建設集團有限公司物料裝卸平臺和配套農路架空過堤工程滲流分析的重點是跨堤農路灌注樁對堤防地基土體的影響，灌注樁樁柱式墩體具有不破壞地層結構、不損壞河堤、對原工程影響較小的特點，但在施工過程中總是不可避免會對樁體周邊的原土(巖)體產生擾動和改變運行狀態，使樁體周圍土體的滲透系數增大，同時灌注樁成樁后改變堤防土層的滲流通道——減小滲徑，這對于堤防的穩定和安全是不利的，在農路過堤工程完成后的正常運用期，農路過堤工程構筑物自身荷載及過往車輛荷載會通過橋梁灌注樁柱傳遞到堤防基礎上，這對于堤防的穩定和安全同樣也造成了不利的影響[2]。

對于上述這些可能出現的情況，在分析中，在施工期工況下，采用增大灌注樁周圍一定范圍內的土體的滲透系數的方法來模擬。然而，樁體對原土體可能產生的影響(產生多大擾動，對多大范圍產生影響)取決于樁體的施工質量，即包括施工中對周圍土體產生擾動的大小、施工中所用泥漿質量、泥漿與外管壁及周圍土體結合的情況，以及原來土體的物理力學性質所決定的，因此在沒有試驗數據的情況下，樁體周圍土體的各個特征參數值無法直接確定，只能在計算中擬定，即選用一些較為危險的情況，選取一些偏安全的參數來模擬管道穿越產生的影響。本報告偏安全考慮，將灌裝樁鉆孔經過的土層中滲透系數按強透水礫沙取值(10 m/d)，樁體對其周圍土體的影響范圍取約二分之一樁徑，本工程樁徑為Φ1200 mm(含保護層厚度)，取其影響范圍為600 mm。在正常運用期，通過在樁柱加載荷載來計算分析堤防的穩定性。臨港池開挖段由于為滿足船舶停靠需要，需疏浚現有河道，對現狀堤防穩定造成了不利影響，本研究將參考相關堤防設計規范，選取臨港池開挖段堤防最不利斷面進行滲流穩定復核計算。

2.3 計算斷面及土層參數

結合《梓寧建設集團有限公司物料裝卸平臺和配套農路架空過堤工程工程可行性研究報告》(2019年3月)和《民三聯圍達標幕墻工程地質勘察報告》(2005年11月)，滲流計算剖面根據各不同地基地質情況的和工程布置及運行情況，選取抗滲及抗滑較不利的斷面，在農路過堤段取臨時交通橋軸線方向過灌注樁軸心位置斷面作為堤防穩定分析斷面進行分析計算，在臨港池開挖段選取距離港池最近斷面進行分析計算。計算斷面平面布置圖和橫斷面計算簡圖見圖1～圖3。

圖1 農路跨堤段及港池開挖段計算斷面平面布置圖

圖2 農路跨堤段：堤防穩定計算橫斷面簡圖

圖3 臨港池開挖段：堤防穩定計算橫斷面簡圖

2.4 計算工況及水力邊界條件

根據《海堤工程設計規范》(GB 51015-2014)的規定，復核現狀堤防的滲流穩定安全，各斷面選擇的計算工況及其水力邊界條件見表2。

表2 堤防滲流穩定安全計算工況及臨水側、背水側水位組合表

2.5 計算成果及分析

滲透變化的形式及其發生發展過程，與地質條件、土粒級配、水力條件、防滲排滲措施等因素有關，通常可歸結為管涌、流土、接觸沖刷和接觸流土四種類型。根據計算斷面的土層分布情況來看，本報告主要考慮粘性土的流土破壞和非粘性土的管涌破壞[3]。

粘性土的流土臨界坡降參照《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487-2008)公式G.0.6-1計算：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

式中：Gs為土粒比重；n為土的孔隙率。

非粘性土的管涌破壞臨界坡降參考《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487-2008)公式G.0.6-2計算：

式中：d5、d20分別為小于該粒徑的含量占總土重的5%和20%的顆粒粒徑，mm。

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)及《海堤工程設計規范》(GB 51015-2014)，本工程堤防允許滲透坡降為0.5[4]。

計算斷面堤背水坡最大滲透出逸坡降的計算成果見表3。橫門水道左岸堤防計算斷面滲流等勢線圖和浸潤線圖見圖4～圖6。

圖4 農路跨堤段：堤防穩定滲流分析結果圖(正常運用期)

圖5 農路跨堤段：堤防穩定滲流分析結果圖(施工期)

圖6 臨港池開挖段：堤防穩定滲流分析結果圖(正常運用期)

表3 滲透坡降計算成果表

由表3可知，工程施工期和施工后正常運行期背水側近坡腳處的最大坡降均在規范允許范圍內；由于跨堤段橋支撐灌注樁鉆孔沿堤線方向布置兩孔且間距為4.5 m，所以鉆孔對跨堤段堤防滲透穩定影響很小，橫門水道左岸堤防在跨堤橋梁過堤段在施工期和施工完成后的運行期均滿足滲流穩定的要求。臨港池段堤防在臨水側開挖港池后堤防背水側滲透坡降也都滿足滲流穩定的要求[5]。

根據圖4～圖6結果，各工況下滲透比降均在規范允許范圍內，本工程現階段農路過堤工程和港池開挖對堤防滲流穩定影響很小[6]。灌注樁鉆孔過程中注意選用合理的施工工藝，減少對原有堤防的擾動，以免造成滲流破壞，特別是離堤防背水側堤腳附近的灌注樁施工時要嚴格控制對周圍堤防基礎的擾動，確保堤防安全[7]。

3 結語

通過梓寧建設集團有限公司物料裝卸平臺和配套農路過堤工程進行論述及設計，通過模擬計算可以得到如下結論：

(1)工程施工期和施工后正常運行期背水側近坡腳處的最大坡降均在規范允許范圍內，臨港池段堤防在臨水側開挖港池后堤防背水側滲透坡降也能夠滿足滲流穩定的要求。

(2)各工況下滲透比降均在規范允許范圍內，本工程現階段農路過堤工程和港池開挖對堤防滲流穩定影響很小，選用合理的灌注樁鉆孔施工工藝，以免造成滲流破壞。

因此，對于涉及堤防的建設工程，應高度重視工程建設實施對堤防工程的滲流穩定影響，必要時針對具體情況采取切實可行的措施，以確保堤防的穩定安全。