倒掛井阻滲對古防洪堤滲流穩定的影響

李騫 周建芬 秦子鵬 曹明杰 嚴芳

摘要：

在中國許多地方，仍有古防洪堤在發揮防洪、航運等功能。為了探究經不同古堤修復加固技術修葺后，洪水漲落對古防洪堤中土體滲流穩定的影響機制，構建了多孔連續介質的飽和-非飽和二維滲流有限元模型，模擬分析原狀強透水結構和設置倒掛井帷幕防滲結構兩種情況下，古堤的地下水位、孔隙水壓力和滲流比降的變化和分布規律。結果顯示：設置倒掛井帷幕防滲結構后，古堤內側的地下水位峰值降低7.6%，倒掛井后孔隙水壓力及滲流比降大幅降低，但局部孔隙水壓力極值和堤腳的滲流比降最大值提高?？梢姽诺虄葌仍O置防滲結構可有效減少古防洪堤堤后水位及相應水壓力、滲透力，但是古堤與倒掛井之間滲流比降增大，對此可通過低壓灌漿等措施提高土粒的黏結力，抑制堤后發生管涌等滲透失穩。

關 鍵 詞：

古防洪堤； 倒掛井； 地下水位； 孔隙水壓力； 滲流比降； 飽和-非飽和模型

中圖法分類號： TV871

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.033

0 引 言

中國許多地方的古防洪堤兼航運、防洪、軍事防御功能于一身，如荊州、壽州、臺州等地的古堤均是如此［1-5］。部分古碼頭和防洪江堤一起構成整體，至今仍在發揮航運功能。對兼具防洪和航運功能古防洪堤的保護加固，涉及到城建、水利、文化、民政等多個部門，修葺保護所面對的技術性問題比較復雜，特別是針對古堤頻發的管涌問題，需要從多孔連續介質的飽和-非飽和滲流理論方法入手開展研究，才可以得出準確的結果和科學結論。

現存的古防洪堤一般臨江而立，因此鄰城市中心，與市政設施融為一體，經過歷代的修葺，至今仍然在發揮其防洪和航運的作用，同時也成為了獨具特色的地方文化與水文化承載體。近年來，隨著防洪安全要求的提升和防洪標準的提高，防洪古堤及碼頭的保護和加固面臨許多亟待解決的問題。由于古碼頭文物保護修葺工程要求必須保持文物本體原構，其修葺所用膠凝材料須選用石灰基材料，這給古碼頭的加固帶來了挑戰。其中季節性河流水位急劇漲落對古堤的滲流穩定性影響很大，常常引發滲流失穩和管涌問題，進而威脅古防洪堤的安全，研究不同修復技術對碼頭滲流穩定影響的作用機制具有重要理論和實際意義。

近些年，國內外許多學者開展了地下水滲流特性對岸坡滲流穩定影響的研究。依據非飽和土體含水率、基質吸力及滲流系數的關系，提出飽和-非飽和土體的滲流方程［6-8］?；跐B流與侵蝕耦合方程可知，非飽和土層孔隙水壓力增大，水力梯度大于初始水力梯度，細顆粒相從土體中運移流失，從而產生變形失穩［9-13］。考慮到地下水的滲流作用機理，工程中對地下水的主要防治理念是“防滲阻截”，即通過工程措施減少地表滲入和削弱地下滲流。王飛將帷幕技術應用于邊坡工程中，利用滲流阻截帷幕削弱坡體地下水位滲流，提高邊坡穩定性［14］。許燁霜等研究地下構筑物阻擋地下水滲流作用，得到地下構筑物對地下水及地表沉降的影響程度與構筑物在含水層中的深度及擋水寬度的關系［15］。針對多層堤基結構管涌動態發展過程，王霜利用有限元分析軟件模擬了管涌發展不同階段堤基內部滲流場分布［16］。為了揭示降水對于岸坡變形發展的影響規律和不利因素，何紹衡等建立了深厚透水土層的懸掛式止水帷幕的分級降水三維流固耦合模型［17］。郭一鵬等開展了毛細透排水管排水滲流模型及設置間距研究，得到地下水位變化下毛細透排水管排水的穩定滲流模型和非穩定滲流模型［18］。從宏微觀尺度，學者對滲透系數與岸坡的滲流穩定性關系及防治措施做了較多的研究［19-22］。但是，針對古防洪堤岸坡土體特性和地下水位波動影響土骨架中水相的運動規律的研究還不夠深入，因水位驟變造成的非穩態滲流影響結構基土穩定的過程研究還不夠充分。針對不同構筑物結構和工況變化引發的管涌等滲流穩定分析，需要綜合應用飽和-非飽和滲流理論和管涌本構模型，才能準確模擬非穩態滲流引發管涌的機制和規律。

本文以位于浙江衢江和金華江交匯口下游的蘭溪古防洪堤為對象，建立多孔連續介質的飽和-非飽和非穩態滲流數值模型；分析洪水漲落對古防洪堤滲流穩定性的影響規律，模擬古堤文物原構背側設置倒掛井作為帷幕阻滲的滲流規律，探究地下水位時程變化對古堤滲