Autobank在堤防滲流穩定分析中的應用

王偉，宋五朋

（1.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省特殊巖土環境控制工程技術中心，河南 鄭州 450008）

0 引言

洪澇災害是比較常見的一種自然災害，為了抵御洪澇災害，就需要通過在河道上修筑堤防將大量的洪水約束在河道內，防止對人民的生命、財產造成損害。堤防修建后，由于填堤土體的透水性及不均一性，在長時間的洪水影響下，堤防可能出現滲漏危害，因此需要進行滲流穩定分析，根據分析成果對堤防進行防護處理。文章以固始縣史灌河一段水毀堤防為例，采用《AutoBank7 水工結構分析系統》對堤防進行滲透穩定計算，通過計算成果，為堤防防滲加固措施的合理選擇提供參考。

1 工程地質概況

1.1 工程概況

該段堤防位于史灌河右岸，2020年7月，史灌河流域連遭多輪強降雨，該段堤防堤身出現貫穿性滲流，最大流量約5 m3/s，隨后堤頂塌陷，背河坑塘發生管涌，涌水量約1 m3/s。險情發生后，現場進行了緊急處置，拆除民房對堤頂塌陷坑進行了回填，對坑塘管涌修筑了反濾圍井，并于堤防臨水坡淤砂堵漏，淤砂平臺寬5～10 m，外邊坡約1：1.50。初步分析堤防部分土體在原生產堤基礎上逐步加固而成，堤防填筑土料不均一，碾壓或夯實不充分；此外該段堤防群眾多在河堤上居住，長期的生產、生活行為對堤防也造成一定破壞和影響。

1.2 地形地貌

場區屬沖積平原地貌，微地貌屬史灌河河谷地貌，地勢平坦，略有起伏。此段河堤高程31.82～32.27 m，堤高7 m左右，堤頂（含莊臺）寬22～32 m，堤內沿堤防走向分布較多坑塘，坑塘深度一般1.50～3.00 m，堤內地面高程一般24.78～25.94 m，堤外地面高程一般20.43～26.67 m。汛期高水位時，該段岸坡迎流頂沖。

1.3 地層巖性

堤身填土主要為原堤身填土及搶險期間加固堤身填土，原堤身填土主要成分為中、重粉質壤土，加固堤身土主要成分為細砂；堤基地質結構屬土巖雙層結構，上部屬粘砂多層結構，地層巖性主要為第四系全新統重粉質壤土、細砂、淤泥質重粉質壤土，第四系上更新統粉質粘土、中壤土、中細砂及新近系鳳凰鎮組粘土巖。

2 水文地質條件

場區地下水類型為第四系松散層孔隙水，主要賦存于下部砂層中，勘察期間地下水水位高程一般22.00～22.50 m 左右。場區地下水屬入滲～徑流開采型，即地下水主要接受大氣降水入滲、側向徑流、灌溉及地表水入滲補給，排泄方式主要為人工開采及側向徑流。根據工程類比及試驗資料，重粉質壤土一般具弱透水性，細砂、中細砂一般具中等透水性，淤泥質重粉質壤土、中壤土具弱～中等透水性，粉質粘土、粘土巖具微～極微透水性。

3 堤防滲流穩定分析

3.1 典型斷面選取

斷面選取原則：依據堤下各種土層組合，相同土層組合按照工程最不利的原則選取典型斷面。結合堤防地質資料情況和堤防設計條件，選取該段堤防0+170斷面進行滲流穩定分析。

3.2 計算工況及參數

3.2.1 計算工況

計算工況：臨水側為設計洪水位，水位高程30 m，背水側無水。

3.2.2 計算參數

典型斷面各土層滲流穩定計算指標見表1。

表1 典型斷面各土層滲流穩定計算指標表

3.3 計算方法和結果

采用河海大學編制的《AutoBank7 水工結構分析系統》進行堤防的滲透穩定計算，該軟件是目前比較常用的滲流穩定分析軟件，內部采用有限元技術，可進行詳細的分析計算，結果較為準確可靠。

AutoBank軟件基本原理為達西定律，基本方程為：

式中：x、y 為平面坐標，kx，ky為x、y 方向的滲透系數，φ=φ（x，y）為待求水頭勢函數。

水頭φ滿足以下邊界條件：①上游邊界上水頭已知φ=φn；②浸潤線上水頭和位置高程相等φ=z；③在某邊界上滲流量q已知。

式中：ly，ly為邊界表面向外法線在x，y方向的余弦。

將滲流場用有限元離散，假定單元滲流場的水頭勢函數φ為多項式，由微分方程及邊界條件

確定問題的變分形式，可導得出線性方程組：

式中：［H］為滲透矩陣；｛φ｝為滲流場水頭；｛F｝為節點滲流量。

求解以上方程組得到節點水頭，據此求得各計算單元的水力比降。

典型斷面計算滲流穩定計算結果見表2，結果簡圖見圖1。

圖1 堤段（0+170滲流穩定期）圖

3.4 成果分析

根據計算成果表2可知，該段堤身及堤基表面滲透比降均大于允許比降，易造成滲透破壞，需采取防滲措施。

表2 滲流穩定計算成果表

4 截滲方案選擇及工程布置

4.1 截滲方案選擇

堤防截滲一般采取背河側堤腳壓滲、臨河側截滲或壓截相結合等措施，其中截滲技術目前國內常用的有：高壓噴射灌漿防滲技術、垂直鋪塑防滲技術、多鉆頭小直徑深層攪拌樁建造防滲墻技術等。根據以上技術的特點，結合此段堤防地質條件，截滲采用多頭小直徑深層攪拌樁方案解決堤防滲透穩定問題，該技術具有施工工藝簡單、施工速度快、防滲效果好、投資少、使用壽命長、性價比優勢明顯等特點，近年來在江河、湖泊堤防防滲工程中被廣泛采用。

4.2 截滲工程布置

該段堤防加固處理長度175 m，測量樁號0+050～0+225。處理措施及內容主要包括堤身開挖回填、臨河側堤坡防護、修建水泥土截滲墻、背河側填塘壓滲等。

堤身開挖回填主要是將防汛搶險時堤內臨時填筑的磚渣等雜物挖除，開挖深度約8 m，底寬約10 m，根據現場地形條件，開挖邊坡1 ∶2.00～1 ∶2.50，以把搶險回填的松散體全部挖除為準。堤防回填采用粘性土料，并分層回填壓實，為減少新老堤防沉降差，筑堤壓實度≥0.92。水泥土截滲墻軸線位于現狀堤頂中部，修建截滲墻長175 m，墻高19～20 m。另外，利用施工棄土等對背河側坑塘進行回填，填塘寬度距堤腳≥30 m，平臺頂高程為25.00 m，外邊坡為1 ∶2。

圖2 險堤段處理橫斷面圖

5 堤防滲流穩定復核

5.1 典型斷面選取

此次滲流穩定復核斷面與“3 滲流穩定分析”選取斷面一致，即堤段0+170斷面。

5.2 計算工況及參數

5.2.1 計算工況復核計算工況臨水側為設計洪水位，水位高程30 m，背水側無水。

5.2.2 計算參數各土層滲流穩定復核計算指標與表1一致，截滲墻孔隙比取0.67，孔隙率取0.40，滲透系數取1.00E-07cm/s。

5.3 計算方法和結果

采用《AutoBank7 水工結構分析系統》進行堤身與堤基的滲透穩定復核計算。滲流穩定復核計算結果見表3，計算結果簡圖見圖3。

表3 滲流穩定復核計算成果表

圖3 堤段（右堤0+170滲流穩定期）圖

5.4 成果分析

根據計算成果表3可知，該段堤身及堤基表面滲透比降均小于允許比降，堤防截滲起到防滲效果。