不同水位方案下堤防滲流及破壞分析

不同水位方案下堤防滲流及破壞分析

水庫(kù)工程是防洪體系的基礎(chǔ)，是防洪和蓄水的重要障礙。在堤防加固工程中,掌握堤身工況及地基滲流特點(diǎn),采用合理滲流控制措施是確保堤防安全度汛的重要前提。筑成混合堤的材料具有多樣性,因此混合堤的不同位置滲流特性具有差異性。為了堤防安全考慮,需對(duì)其進(jìn)行滲流模擬分析。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,加拿大巖土公司GEO-SLOPE開(kāi)發(fā)的GeoStudio2007軟件,具有滲流穩(wěn)定分析模塊SEEP/W。SEEP/W模塊具有良好的前后處理功能,其功能具有綜合性,既可分析極為復(fù)雜的滲透性問(wèn)題,又具有較高的精度和較好的實(shí)用性,可滿足實(shí)際工程的技術(shù)和精度要求。本文利用GeoStudio2007軟件構(gòu)建滲流模型并對(duì)典型斷面進(jìn)行滲流模擬分析。1堤身及堤身材料某堤防工程包括3段,總長(zhǎng)101.973km。其中下段堤防由兩部分組成,堤防總長(zhǎng)58.794km。部分堤段兩側(cè)進(jìn)行加培處理,堤頂寬3.0m,迎水坡坡比1∶4.0,原路面以上背水坡坡比1∶2.0,原路面以下背水坡坡比1∶4.0。潰口復(fù)建堤段采用水中填土至地面高程,兩側(cè)采用拋石防護(hù),地面以上部分堤頂寬8.0m,迎水坡坡比1∶4.0,背水坡坡比1∶4.0,迎水坡堤腳采用多頭小直徑攪拌樁防滲墻堤防橫斷面為梯形,堤身上層材料為砂性土,下層材料為低液限黏土。堤基上層材料為低液限黏土,下層材料為級(jí)配不良中砂。假定同一區(qū)域內(nèi)土體的滲透性均一,為各向同性介質(zhì)根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況,為考慮不同洪水位條件下對(duì)滲流結(jié)果的影響,對(duì)水位賦予不同值,得到在不同水頭壓力下的滲流要素結(jié)果2模擬方案的配置2.1模擬截面的配置根據(jù)研究需要,結(jié)合資料分析和野外調(diào)查結(jié)果,本文選擇3個(gè)典型橫斷面作為模擬斷面,其中包括大洪水年堤防決口處橫斷面2.2不同洪水方案的配置為分析不同水位條件下的滲流及破壞情況,根據(jù)資料分析和野外調(diào)查結(jié)果,本文設(shè)定3種不同洪水方案,見(jiàn)表2。3典型斷面混合壩流模擬結(jié)果分析3.15土體抗?jié)B力驗(yàn)算。在一般緩刑50年一遇設(shè)計(jì)洪水位條件下的混合堤滲流模擬結(jié)果見(jiàn)圖2~圖4。由圖2~圖4可見(jiàn),堤防背水坡堤腳處有滲流且流量較大,滲流流通路徑較密集,流速也相對(duì)較大。臨近坡降代表土體的抗?jié)B強(qiáng)度,反映了土體抵抗破壞滲透的能力。允許比降通常由原狀土室內(nèi)測(cè)驗(yàn)求得,也可由經(jīng)驗(yàn)確定,根據(jù)工程地質(zhì)資料取允許比降為2.0。堤身坡降極小,堤基上層低液限黏土層及堤腳處等出水處存在坡降值,坡降值由迎水坡逐漸降低,再至臨近背水坡坡腳處,坡降明顯有所升高,此斷面坡降模擬計(jì)算結(jié)果最大值為1.15,小于黏土達(dá)到滲流破壞的臨界坡降,堤防抗?jié)B穩(wěn)定性滿足要求,不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。3.2洪水年的最大洪水水位3.2.1堤身滲流路徑在大洪水年最高洪水位(46.88m)條件下,對(duì)斷面進(jìn)行滲流路徑分析,模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),流線在堤防迎水坡以垂直入滲為主,經(jīng)過(guò)堤基低液限黏土層,部分轉(zhuǎn)為水平方向,沿堤基底部級(jí)配不良中砂層流向下游地基,并有方向向上流出下游地面趨勢(shì),另有一部分轉(zhuǎn)為垂直向上流向堤身上層砂性土層,從堤防背水坡堤腳處流出,總體滲流路徑較均勻3.2.2堤身滲透速率在大洪水年最高洪水位條件下,各斷面滲流速率云圖見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn),堤防滲透速率較小,整個(gè)區(qū)域滲透速率<0.8m/d。在堤身處滲透速率較高,最高流速點(diǎn)在堤身背水側(cè)坡腳處,最高流速約為0.701m/d。堤防產(chǎn)生滲流破壞的可能性較小。3.2.3滲透破壞穩(wěn)定性各斷面的坡降可以由數(shù)值模擬直接得出,堤防坡降云圖見(jiàn)圖7。由數(shù)值模擬結(jié)果可知,堤防背水坡堤腳處有滲流流量較大,滲流流通路徑較密集,流速也相對(duì)較大,很可能發(fā)生滲透破壞。根據(jù)工程地質(zhì)資料取允許比降值為2.0。由圖7可見(jiàn),堤身坡降極小,堤基上層低液限黏土層及堤腳處等出水處存在坡降值,坡降值由迎水側(cè)逐漸降低,再至臨近背水坡坡腳處,坡降明顯有所升高,斷面坡降模擬計(jì)算結(jié)果最大值為1.35,小于黏土達(dá)到滲流破壞的臨界坡降,堤防抗?jié)B穩(wěn)定性滿足要求,不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。根據(jù)大洪水年最高洪水位條件下對(duì)堤防滲流場(chǎng)、流速和坡降的影響分析,可以判定在大洪水年最高洪水位條件下堤防不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。3.32滲流路徑200年一遇超大洪水位條件下混合堤滲流模擬結(jié)果見(jiàn)圖8~圖10。由數(shù)值模擬結(jié)果可知,堤防背水坡堤腳處有滲流且流量較大,滲流流通路徑較密集,流速也相對(duì)較大,很可能發(fā)生滲透破壞。根據(jù)工程地質(zhì)資料取允許比降值為2.0。堤身坡降極小,壩基上層低液限黏土層及堤腳處等出水處存在坡降值,坡降值由迎水坡逐漸降低,再至背水坡臨近坡腳處坡降明顯有所升高,此斷面坡降模擬計(jì)算結(jié)果最大值為4.80,最大坡降大于黏土達(dá)到滲流破壞的臨界坡降,抗?jié)B穩(wěn)定性不能滿足要求,會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。4種方案防滲滲流場(chǎng)、流速和坡降值分析以典型堤防工程為例,根據(jù)巖土體滲流場(chǎng)基本方程,堤防最大浸泡時(shí)間≥45d,結(jié)合堤防工程地質(zhì)條件建立了滲流運(yùn)動(dòng)的有限元數(shù)值模型,對(duì)50年一遇設(shè)計(jì)洪水位45.45m、大洪水年最高洪水位46.88m和200年一遇超大洪水位48.67m進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。3種方案堤防滲流模擬流速影響分析結(jié)果表明,堤基下層和堤身處滲透速率較堤基上層滲透速率高,堤防背水坡堤腳處滲流流通路徑較密集。滲流模擬坡降結(jié)果表明,堤身坡降較小,堤基上層低液限黏土層及堤腳處等出水處存在坡降值,坡降值由迎水坡逐漸降低,再至臨近背水坡堤腳處坡降明顯有所