小流域堤防滲流設計

摘 要：堤防是防洪的重要屏障，但多數堤防缺乏可靠的滲流控制，這也是汛期產生洪災險情的主要原因。本文就小流域堤防滲流設計進行了探討，并將結合某工程實例，詳細介紹了堤防滲流的要點，可供參考。

關鍵詞：堤防滲流；滲流計算；小流域

堤防與水庫土壩滲流的主要區別在于水庫是長期蓄水，壩內可以形成穩定滲流，而堤防是在汛期短期擋水，屬于一種擋水建筑。但當遇上季節性暴雨，就要考驗堤防滲流控制的穩定性了。因此，要做好堤防滲流的設計，首先要判別土料的滲透變形，然后要對堤防進行滲透穩定的正確分析與計算，從而滿足滲透穩定的要求，保障堤防的質量。

1 滲流分析

滲流分析計算時選用為小流域堤防典型斷面均質土堤，堤身高6m，上游水頭5m，下游無水，上、下游堤坡均為1：2.0，堤頂寬3m。基礎為單層基礎，厚5m，典型斷面見圖1。

圖1 堤防典型斷面圖

1.1 穩定滲流計算

分別采用公式法及滲流有限元分析兩種方法對不同情況進行分析計算，當堤防基礎的滲透系數比堤身的滲透系數小100倍及以上時，認為地基為不透水地基。

1）公式法—不透水堤基滲流計算

根據《堤防工程設計規范》（以下簡稱規范）附錄E中相關公式，分別改變堤防上游邊坡m1、下游邊坡m2及堤身滲透系數k，研究堤身滲漏量（q）、出逸點高度（h0）及堤腳滲透比降JA，JB與這些參數之間的關系，計算成果見表1。

表1 不透水地基滲透穩定影響因素分析表

從表1可知，堤身滲漏量與滲透系數大小成正比，但滲透系數大小不影響出逸點高度h0及滲透比降JA，JB。堤腳的滲透比降僅與下游邊坡m2的大小有關，下游邊坡越緩，堤腳滲透比降越小。考慮到在小流域堤防滲流控制中，控制的關鍵為滲透穩定性，故可認為在不透水地基上的小流域堤防，可通過適當放緩下游堤坡的方式，減小堤腳的滲透比降。

2）公式法—透水堤基滲流計算

根據《規范》附錄E中相關公式，分別改變堤身滲透系數k和堤基滲透系數k0，研究滲漏量q、出逸點高度h0與滲透系數k，k0之間的關系。計算結果見表2。

表2 透水地基滲透系數與出逸點高度相關關系表（公式法）

注：k=0.864m/d相當于k=10-3cm/s。

由計算可知，出逸點高度與k/k0值相關，k/k0值越小，出逸點高度也越低。也就是說，在堤基滲透系數一定的情況下，可通過減小堤身的滲透系數來降低出逸點的高度。

根據《規范》，透水地基均質土堤沿滲出段AB的滲透比降為，沿地基段BC的滲透比降為。

從上述公式可以看出，透水地基的滲透比降同不透水地基情況類似，均與下游堤坡m2相關，當下游邊坡為1：2時，JA=0.447，JC=0.354，放緩下游堤坡可降低堤腳的滲透比降。但該公式在靠近坡腳B點處計算出的水力比降J=∞，說明公式在該段內的計算是存在缺陷的，同時也說明該部位易發生滲透破壞，設計需引起注意。

3）有限元法—透水地基

與表2相對應，采用“理正滲流分析軟件”對透水地基堤防進行有限元法計算，成果見表3。

表3 透水地基公式法與有限元法計算成果比較表

由表3可知，采用有限元法計算下游堤坡的出逸點，滲透比降與公式法計算結果基本相同。下游堤坡與地面相交處的滲透比降最大，根據對典型斷面的計算結果，該處滲透比降可達到0.65，此數值大于一般堤防填筑材料的允許滲透比降，若洪水過程持續時間長，堤身能形成穩定滲流。

鑒于良好的反濾保護可大幅度提高無粘性土的允許滲透比降，故滲流控制措施的重點是對下游堤腳的反濾排水進行合理設計。非管涌型土在良好的反濾保護下，允許滲透比降可達到0.75以上，即可滿足堤防滲透穩定要求。管涌型土在良好的反濾保護下，允許滲透比降僅能達到0.3～0.75，不能滿足堤身滲透穩定要求，故堤身填筑應避免采用管涌型土，堤防及基礎如果為管涌型土，僅靠出口的反濾保護是不夠的，需要放緩堤防下游邊坡或在上游側采取防滲措施。

1.2 非穩定滲流計算

小流域堤防的擋水是季節性的，在擋水時間內不一定能形成穩定滲流的浸潤線，這與小流域洪水的持續時間密切相關，故對不同地區小流域的洪水過程進行統計分析，發現流域集雨面積越小，洪水持續時間越短，該工程洪水持續時間基本在1d以內。

注：小流域堤防設計中對洪水過程的關注度不高，一般不計算洪水過程，故收集不同地區水庫設計中相關資料，洪水過程持續時間按照大于10%Q洪峰統計。

根據《規范》，不穩定滲流浸潤線計算見圖2。

圖2 不穩定滲流計算簡圖

滲流在背水坡坡腳出現所需時間T為：

式中：n0—土的有效孔隙率，n0=n（1-SW%），n為孔隙率，SW%為飽和度；k—堤身滲透系數，采用大值平均值或試驗數據中的較大值；H—上游水頭，m；t—洪水持續時間。

當洪水持續時間t

現假設k=1×10-3cm/s，孔隙率n=0.3（砂礫石），飽和度Sw=50%（很濕），對典型斷面圖3進行非穩定滲流計算，滲流在背水坡坡腳出逸所需時間為6.3d，遠遠大于小流域內一場洪水持續的時間。因此可以認為小流域內的洪水一般形不成穩定滲流，滲流浸潤線一般不會在下游堤坡上出逸。

2 結語

綜上所述，堤防滲流設計的重點是要讓堤防建設滿足滲流穩定的要求，這就要求我們要做好有關滲流穩定的分析和計算，當然為了保障堤防的質量，還可以通過降低下游堤坡的方式降低堤腳的滲透比降，還可以設置反慮保護，從而保證堤防滲流安全。

參考文獻

[1] 劉鐵龍.堤防滲流控制特點及其設計[J]西北水電，2004（04）

[2] 盧玉明等.堤防滲流計算的基本方法與滲流控制措施[J]中國水利水電科學研究院學報，2007（04）