黃河大堤放淤固堤的滲透穩定性研究

□董莉莉（黃河勘測規劃設計有限公司）

□閆倩倩（河南省人民勝利渠管理局）

□劉許超（黃河勘測規劃設計有限公司）

黃河大堤放淤固堤的滲透穩定性研究

□董莉莉（黃河勘測規劃設計有限公司）

□閆倩倩（河南省人民勝利渠管理局）

□劉許超（黃河勘測規劃設計有限公司）

本文針對黃河大堤存在的裂隙、孔洞等隱患，采用有限元滲流方法對各種可能存在的隱患進行模擬，研究不同隱患對黃河大堤的滲透穩定性的影響，同時對黃河大堤采用的放淤固堤的加固措施進行數值模擬研究，結果表明：各種隱患的存在加大了黃河大堤滲透破壞的可能，而放淤固堤的加固措施能夠有效地減小這種可能，使大堤的滲透穩定性明顯提高。

黃河大堤；滲透穩定；放淤固堤

1.前言

黃河是多泥沙河流，洪水進入下游后，泥沙不斷淤積使河床抬高，形成地上懸河。解放后大堤不斷加高，目前大堤一般高出地面10米左右，臨背懸差3～5m，最大達10多米。由于黃河大堤堤身土料多為砂壤土、粘土、壤土混摻組成，土質極不均勻。根據歷史險情、隱患探測的成果和鉆孔中漏水漏漿情況，加上室內土工試驗測定的堤身土的粘粒含量、干密度和滲透系數等指標，充分說明堤身填筑質量不好，存在裂隙、松散體、孔洞等現象，這些問題的存在對黃河大堤的正常運用存在嚴重的威脅，特別是洪水期，一旦有大洪水，出現險情的可能性大且出險位置的隨機性很大，不易搶堵。所以，對黃河大堤必須進行加固處理，消除堤身和堤基隱患。黃河堤防加固主要是解決堤防潰決問題，因此對于堤身，不僅應滿足滲流穩定要求，還要消除因填筑不實、土質不良、裂隙、松散體及孔洞等隱患引起的堤身破壞；另一方面由于黃河下游堤基復雜，洪水期容易形成集中滲流，出現滲透變形，甚至對堤防造成破壞。也要防止堤基問題引起的流土、管涌等破壞。

為減少黃河大堤險情，曾采用了多種除險加固工程措施。特別是近廿年來，在有條件的堤段，采用了放淤固堤的工程措施。放淤固堤是利用挖泥船或泥漿泵抽取河道或灘區的泥沙，輸送到堤防背河側，培厚大堤斷面，延長滲徑長度。本文針對黃河大堤存在的主要隱患類型進行模擬計算，分析其對黃河大堤的滲透穩定的影響，同時對放淤固堤的效果進行計算分析，得到了一些有用的結論。

2.滲流有限元計算的基本原理

求解大壩、堤防等問題的滲流場歸結為：滲流符合達西定律，求解滿足一定邊界條件的拉普拉斯方程的解答（穩定流），即

式中：kx，ky，kz—沿 x,y,z方面的滲透系數；

H—點（x,y,z）的水頭值。

對于平面問題，可以得到變量H的拉普拉斯方程：

一般情況下，滲透系數可看成均質的和各向同性的，所以，就得到：

此式在一定邊界條件下，就有一組唯一的解。

3.實例計算

采用山東黃河的某一斷面，經過實際檢測考慮以下7種工況進行計算：（1）大堤質量完好，無裂縫和松散體；（2）大堤內存在松散體。根據檢測，松散體在堤頂向下大概4.8～9.6m的范圍內分布，考慮松散體貫通大堤1/2，認為松散體沿河向的范圍較寬，按平面問題計算；（3）松散體在大堤內貫通 2/3；（4）在（3）的情況下，對背河側采用放淤固堤措施進行加固，該工況取放淤寬度為80m。放淤的頂部取比臨河設計水位高1m，坡度和大堤坡度相同；（5）放淤寬度取100m時的工況；（6）有孔洞存在時，放淤寬度取為80m；（7）有孔洞存在時，放淤寬度取為100m。

該斷面的地質剖面圖如圖1、圖2。

有限元計算范圍考慮如下：在臨河側延伸約100m，背河側延伸約110m，豎直方向取到大堤高度的3倍左右。剖分時按照地層分布進行。

上下游水位為：臨河側水位27.89m，背河側水位24.76m。

圖1 地質剖面圖

圖2 有限元網格圖

計算結果如下：

4.結論

（1）由于松散體、孔洞等隱患的存在，使得堤身內水頭的衰減集中在出滲點附近，出滲點位置升高，增大了出滲點的滲透比降，使得大堤的滲透穩定性趨于危險；

表1 各計算工況下的背河外坡出逸點高程、滲流量和最大滲透比降表

（2）由于土層的均勻性，出滲比降的分布也較均勻，都在溢出點附近集中，并達到最大；

（3）有松散體的情況下，背水側進行放淤加固后，不僅降低了溢出點的高程，還使得浸潤線和水頭的分布更趨于平緩，有效地降低了大堤最大出滲比降；

（4）在孔洞存在的工況下，淤背的設置也能夠降低溢出點的高程和大堤滲出的水量，在出滲點附近的最大滲透比降也能夠降低很多，特別是在100m淤背的情況下效果更好。

所以，采用放淤固堤的方案對黃河大堤進行加固，能夠有效降低大堤的最大滲透比降，減小滲漏量，提高大堤的滲透穩定性，是一種經濟、方便又有效的黃河大堤加固措施。

2012-09-28