某沿河大道工程防洪影響評價分析

胡楊生

(湖北建科國際工程有限公司，湖北 武漢 430070)

1 工程概況

某沿河大道新建段起止樁號為K0+000—K1+870，全長1 870 m。道路等級為城市支路，設(shè)計速度為30 km/h，雙向4車道。道路紅線寬30 m。道路沿線與7條城市道路相交，終點(diǎn)與在建道路相接。沿河大道左岸K0+000—K1+677新建路段對應(yīng)的沿河堤25+420～23+770，堤頂高程約為30.0 m；K1+677—K1+870新建路段對應(yīng)沿河堤23+770～23+554，堤頂高程約為30.0 m。防洪設(shè)計水位為28.02～28.13 m(沿河堤25+420～23+770)。

2 評價洪水選擇

根據(jù)工程設(shè)計方案、工程河段特性及評價洪水要求，選取以下兩組評價洪水。

2.1 堤防設(shè)計洪水

工程河段左、右岸均有沿河堤，右岸有漢陽沿河堤。左岸沿河堤樁號23+770的設(shè)計洪水位為28.13 m，右岸沿河堤樁號14+000(對岸為左岸沿河堤樁號26+000)的設(shè)計洪水位為28.01 m。根據(jù)上、下游設(shè)計洪水位成果，推算得到其對應(yīng)左岸沿河堤段的防洪設(shè)計水位為28.02～28.13 m。

根據(jù)工程河段及工程特性，報告選取了4個斷面進(jìn)行堤防穩(wěn)定計算。計算斷面1～3位于舵落口險段且排水管道距離堤腳較近；計算斷面4位于三磯頭險段且排水管道距堤腳較近，堤外灘地很窄。各個斷面對應(yīng)的堤防設(shè)計洪水位見表1。

表1 評價洪水特性

2.2 施工期設(shè)計洪水

根據(jù)工程施工方案，管道基礎(chǔ)施工安排在枯水期(第一年11月份至第二年4月份)進(jìn)行，施工設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)取10年一遇。經(jīng)計算，10年一遇設(shè)計水位為20.26 m。

根據(jù)歷年實(shí)測水位及實(shí)測同期水位，綜合求得工程河段比降約為0.017 4‰。根據(jù)計算斷面與水尺的距離，推求得到各個計算斷面處的施工期設(shè)計水位，具體見表1。

3 防洪評價分析

3.1 堤防滲流穩(wěn)定計算

3.1.1 計算原理

堤防的滲流場為典型的無壓滲流場，屬邊界非線性問題。采用有限元法求解無壓滲流場時，通常有變網(wǎng)格法和固定網(wǎng)格法兩種。典型的固定網(wǎng)格法有Desai的剩余流量法[1]、Bathe的單元滲透矩陣調(diào)整法[2]、周創(chuàng)兵等人的加密高斯點(diǎn)法和子單元法[3]、張有天的初流量法[4]等。以上方法都力圖通過自由面迭代確保干區(qū)內(nèi)的滲流量遠(yuǎn)低于濕區(qū)內(nèi)的滲流量，其不足之處是理論不夠嚴(yán)密，難以對滲流出滲點(diǎn)和自由面進(jìn)行準(zhǔn)確定位，且計算結(jié)果具有顯著的網(wǎng)格依賴性。鄭宏[5]等通過將濕區(qū)中的Darcy定律延拓至全域，建立了有自由面穩(wěn)定滲流問題的橢圓形變分不等式提法。以此為基礎(chǔ)，陳益峰等[6]提出了理論上嚴(yán)密的拋物Signorini型變分不等式方法，較為成功地解決了含排水孔幕等復(fù)雜滲控結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定/非穩(wěn)定滲流問題，并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好效果。

如圖1所示，區(qū)域Ω上的滲流實(shí)際上僅在自由面Γf以下的濕區(qū)Ωw中運(yùn)動。

圖1 堤防穩(wěn)定滲流示意圖

顯然，當(dāng)自由面Γf確定時，濕區(qū)Ωw也就隨之確定。然而，自由面Γf在實(shí)際工程問題中一般是未知的。通過將Darcy定律重新定義為如下形式，變分不等式方法將濕區(qū)Ωw上的滲流問題轉(zhuǎn)化為全域Ω上的一個新的邊值問題。

v=-k?φ+v0

(1)

式中：v為滲流速度；v0為初流速；k為二階滲透張量；?為梯度算子；φ=z+p/?w為總水頭；z為垂直坐標(biāo)分量；p為孔隙水壓力；?w為水的容重。初流速v0的引入是為了消除干區(qū)Ωd上的虛假滲流場，其表達(dá)式為：

v0=H(φ-z)k?φ

(2)

式中：H(φ-z)為Heaviside函數(shù)。

(3)

全域Ω(Ωw∪Ωd)上的滲流應(yīng)滿足如下連續(xù)性方程：

?·v=0 (Ω內(nèi))

(4)

并滿足下列邊界條件：

①水頭邊界條件：

(5)

②流量邊界條件：

(6)

③溢出面Signorini型互補(bǔ)邊界條件：

(7)

式中：Γs為潛在出滲邊界。顯然，在DE上，φ=z且qn≤0；在EFGA上，φ

④自由面邊界條件：

qn|Ωw=qn|Ωd=0 (Γf=AE上)

(8)

式中：Γf≡{(x,y,z)|φ=z}為自由面，即濕區(qū)Ωw與干區(qū)Ωd的分界面。

式(5)～(8)所表達(dá)的PDE提法包含內(nèi)部自由面邊界條件和潛在溢出面邊界條件，在數(shù)值求解過程中其試探函數(shù)的選取具有相當(dāng)?shù)碾y度。通過建立與上述PDE提法等價的拋物型變分不等式(PVI)提法，可將自由面上的流量條件以及潛在溢出邊界上的互補(bǔ)條件轉(zhuǎn)化為自然邊界條件，從而大大減小求解的難度，并改善數(shù)值計算的收斂性和穩(wěn)定性。

為準(zhǔn)確模擬管線修建前、后以及施工期的滲流場，建立了三維有限元模型。

3.1.2 計算結(jié)果

工程前、后以及施工期溢出點(diǎn)處的滲透坡降統(tǒng)計見表2。由表2可知，工程后計算所得的最大滲透坡降較工程前略微增大，但均小于表層土體的允許水力坡降。

表2 滲流溢出點(diǎn)水力坡降

由計算結(jié)果可知，工程前、后等水頭線變化較小，等水壓線分布平順，堤防內(nèi)的自由面降落緩慢。工程前，4個斷面計算的最大滲透坡降為0.137、0.151、0.152、0.155，均小于雜填土層的允許滲透坡降0.25；工程后，4個斷面的最大滲透坡降較工程前略微增大，但仍小于雜填土層的允許滲透坡降；施工期，4個計算斷面的最大滲透坡降為0.122、0.123、0.123、0.125，均低于0.25。因此，在工程前、后和施工期，堤防滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.2 堤防抗滑穩(wěn)定計算

3.2.1 計算原理

滲流作用下，堤防的整體穩(wěn)定性采用極限平衡法。在臨水側(cè)水位驟降時，堤防內(nèi)的滲流自由面隨時間發(fā)生變化，因此堤防的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs也隨時間變化。為了保證堤防整體穩(wěn)定，各個時刻的安全系數(shù)必須都大于規(guī)定值。本文采用簡化畢肖普法進(jìn)行堤防的抗滑穩(wěn)定性計算[7，8]，計算公式為：

(9)

式中：b為條塊寬度，m；W1為在堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2為在堤坡外水位以下的條塊重力，kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kPa；β為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；C、φ為土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(kPa，°)。

3.2.2 計算結(jié)果

運(yùn)用簡化畢肖普法進(jìn)行穩(wěn)定計算時，1級堤防正常運(yùn)用條件下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.50，非正常運(yùn)用條件下不小于1.30。各計算工況下，堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果見表3。

表3 堤防抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

工程后，穩(wěn)定滲流條件下4個典型斷面計算所得的抗滑安全系數(shù)Fs分別為1.968、1.675、1.686、1.594，水位驟降條件下4個典型斷面的抗滑安全系數(shù)分別為1.736、1.533、1.617、1.564，均大于1.50。施工期，4個計算斷面計算所得的安全系數(shù)分別為2.223、2.561、2.328、2.446，均大于1.30，計算所得的最危險滑弧朝堤防側(cè)最遠(yuǎn)至堤頂，朝基坑側(cè)最遠(yuǎn)至排水管道溝槽(二次開挖基坑)槽底。因此，在工程后和施工期，各堤防典型計算斷面均滿足抗滑穩(wěn)定要求。

3.3 基坑和堤防位移計算

3.3.1 計算原理

近堤基坑開挖不可避免地會造成周圍的地層擾動，從而引起鄰近堤防的附加側(cè)向位移和垂直沉降[9]。經(jīng)過與有限元計算結(jié)果對比修正，對于基坑長度影響范圍內(nèi)(4倍于開挖深度以內(nèi))堤防水平位移與豎直沉降采用下式計算：

(10)

uh=uhmax·(-0.05x/H+0.2)

(11)

式中：uxmax、uhmax分別為基坑水平位移與豎直沉降變形最大值，可通過基坑開挖有限元計算分析得到；x為堤防離基坑的水平距離，m；H為基坑開挖深度，m。

3.3.2 計算結(jié)果

(1)基坑位移：基坑位移計算結(jié)果見表4。由表4可知，基坑水平位移為3.1～4.3 mm，豎向位移為2.6～4.0 mm，基坑水平和豎向位移未超過規(guī)范中的控制指標(biāo)及監(jiān)測報警值。

表4 堤防位移計算結(jié)果

(2)堤防位移：基坑開挖后，計算所得的堤防水平位移為1.4～2.1 mm，豎向位移為1.2～2.0 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范中的監(jiān)測報警值。

4 結(jié) 論

本文通過分析某沿河大道堤防滲流穩(wěn)定性、抗滑穩(wěn)定性及施工期的變形，對其防洪影響進(jìn)行評價，得到以下結(jié)論：

(1)工程后的最大滲透坡降較工程前略微增大，工程前、后及施工期4個典型斷面的最大滲透坡降均小于表層土體的允許水力坡降。工程前、后等水頭線變化較小，等水壓線分布平順，堤防內(nèi)的自由面降落緩慢。堤防滿足滲透穩(wěn)定要求；

(2)工程后，穩(wěn)定滲流和水位驟降條件下4個典型斷面計算所得的抗滑安全系數(shù)均大于1.50，施工期均大于1.30，且最危險滑弧朝堤防側(cè)最遠(yuǎn)至堤頂，朝基坑側(cè)最遠(yuǎn)至排水管道溝槽(二次開挖基坑)槽底。各堤防典型計算斷面均滿足抗滑穩(wěn)定要求；

(3)基坑和堤防的水平及豎向位移均為超過規(guī)范的控制指標(biāo)及監(jiān)測報警值；

(4)工程采取防護(hù)措施后對本河段防洪工程影響不大。