滲流穩定分析在黃河下游堤防質量評價中的應用

趙正偉，張禮，孫夢夢（黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州，450003）

滲流穩定分析在黃河下游堤防質量評價中的應用

趙正偉，張禮，孫夢夢
（黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州，450003）

黃河下游堤防的質量嚴重制約了防洪效益的發揮，論文采用有限單元分析法求解拉普拉斯方程，對黃河下游進行滲流穩定計算，并結合黃河下游堤防歷史資料，推求出歷史出險時的堤防滲透破壞比降，對黃河下游14個典型斷面進行了滲流穩定分析，計算結果顯示僅有1個斷面是安全的，建議盡快完成黃河下游堤防加固工程。

黃河下游；堤防質量；滲流穩定計算

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.135

1 研究背景

黃河下游臨黃大堤總長1371km，是在民埝的基礎上由歷代勞動人民不斷修培而成，受當時社會、經濟、技術等條件限制及頻繁決口的影響，堤身、堤基存在較多質量問題。為保障黃河下游防洪安全，2000年以來，黃河水利委員會開展了黃河下游標準化堤防建設，目前，尚有部分堤防尚未加固或加固標準較低。在實施堤防加固前，對未加固堤段堤防質量進行評價，對確定堤防加固規模十分必要。滲透破壞在堤防工程中非常普遍，據1996年8月黃河防洪搶險統計資料顯示，當年黃河下游大堤偎水長度952km，平均水深2～4m，除漫溢、頂沖險情外，大堤潰口性險情大多是滲透破壞所致。

目前，黃河下游堤防采用的質量評價方法主要有以下5種：地質勘探法、物探法、注水實驗法、歷史調查法和滲流穩定計算法。其中，滲流穩定分析是較常采用的堤防質量評價法。黃河下游大堤潰口性險情大多是滲透破壞所致，并且防洪搶險及除險加固的實踐也表明，滲透破壞是堤防工程中最為普遍的破壞[1]。滲流穩定計算方法可對各段堤防質量進行定量評價，因此，本文采用滲流穩定計算的方法對堤防質量進行評價。

2 堤防滲流穩定計算方法

考慮黃河下游堤防的實際情況，可根據各堤段不同的地質條件，按照地基地層結構分段和分類，適當考慮斷面的均勻分布選取計算斷面，采用平面有限單元分析方法，根據流體力學原理，對符合達西定律的二向滲流，在土體與液體壓縮性可以忽略的條件下，建立水頭函數模型[2]，水頭函數滿足拉普拉斯方程：

式中，h為水頭函數；x、z分別為沿堤防斷面橫向和垂直方向的距離；Kx、Kz分別為沿堤防斷面橫向和垂直方向的滲透系數。

對滲透性有影響的因素很多，如土體的結構、顆粒形狀和大小、孔隙率、水的飽和度及水溫等，為便于進行堤防工程實際問題的研究，在計算時需要從影響滲透性的因素和水力學計算條件兩方面進行如下假定和簡化：（1）滲流服從達西定律；（2）不考慮土體和水的壓縮性，滲透時土體的孔隙大小和孔隙率不變；（3）土體內水的飽和度不變；（4）堤防各土層概化為均質土。

根據各堤段不同的地質條件，按照地基地層結構分段和分類，適當考慮斷面的均勻分布，采用平面有限單元分析方法。根據堤防斷面以及地質勘探推薦的各土層滲透系數，利用有限單元分析法求解拉普拉斯方程來判斷堤防是否發生滲透破壞，再通過地質勘探、物探、注水試驗等地質方法對堤防質量評價的結果進行驗證，最終確定不安全堤段的堤防質量[3]，典型計算斷面如圖1所示。

圖1 黃河下游堤防滲流穩定計算典型斷面圖

3 黃河下游堤防質量評價

針對未安排加固堤防段落，在不同堤段選取14個斷面進行滲流穩定計算，斷面選取時應盡可能涵蓋不同的地質情況，使其具有一定的代表性。滲流穩定計算成果如表1所示。計算成果表明，設計洪水條件下，所選取的14個計算斷面中，有1個斷面在現狀情況下出逸比降大于允許滲透比降，表現為安全，其余斷面均為破壞。

表1 黃河下游堤防滲流穩定計算成果表

滲流計算雖然是按照均質土堤進行的，但是由于進行允許滲透比降選取時，需結合堤身存在裂縫、孔洞、口門，以及松散體等多種情況，將其數值予以適當降低；同時利用歷史出險滲透比降計算成果進行驗證，綜合選取[4]。因此，可以認為計算成果接近堤防實際情況。從計算成果看，14個代表性斷面僅有1個斷面是安全的，說明采取淤背措施對堤防實施加固是非常必要的。

黃河大堤堤身土料為砂壤土、壤土、黏土及粉細砂混摻組成，土質不均勻。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黏粒含量、干密度和滲透系數等指標，均充分說明多數堤身填筑質量不好，存在裂隙、孔洞等現象，并且地基條件復雜，加上遺存的歷史口門，均對堤防安全構成威脅。因此，黃河一旦遭遇大洪水，出險位置的隨機性很大，并且一旦出險不易搶堵。為保障黃淮海平原地區的防洪安全，盡快完成黃河下游堤防加固建設任務是非常必要的。

4 結論

本文采用有限單元分析法求解拉普拉斯方程，對黃河下游進行滲流穩定分析。結合黃河下游堤防歷史出險資料，推求出當年出險時的滲透破壞比降，將出險時的滲透破壞比降作為該段堤防的允許出逸比降來判斷堤防是否發生滲透破壞。并對黃河下游14個典型斷面進行了滲流穩定計算，結果表示其中僅有1個斷面是安全。建議黃河下游盡快完成堤防加固，可采用放淤固堤、放淤固堤結合臨河修筑新堤與截滲墻加固等方法，使堤防盡早發揮整體防洪效益。

【1】潘明強,劉生云,楊永葉，等.黃河下游堤防滲流穩定分析[J].人民黃河,2010,32(5):17-18.

【2】張秀勇,花劍嵐,楊洪祥.基于可靠度的黃河下游堤防工程滲流穩定分析[J].河海大學學報(自然科學版),2011,39(5):536-539.

【3】趙壽剛,常向前,潘恕.黃河標準化堤防滲流穩定可靠性分析[J].巖土工程學報,2007,29(5):684-689.

【4】趙壽剛,楊小平,潘恕，等.基于滲流穩定可靠性分析的黃河堤防合理淤背寬度研究[J].中國西部科技,2005(5):25-26.

Application of Seepage Stability Analysis in the Lower Reaches of the Yellow River Levee Quality Evaluation

ZHAO Zheng-wei,ZHANG Li,SUN Meng-meng
(Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.,Zhengzhou450003,China)

The lower reaches of the Yellow River embankment quality had important influence in flood control. The seepage stabilitycalculation was finished by using finite element analysis method in solving Laplace equation. Combined with the lower reaches dyke historicaldata of the Yellow River, the slope gradient ratio of historydyke seepage failure occurring was calculated.The 14 seepage stability analysis typicaldyke cross section in the lower reaches of the Yellow River were finished, results show that only one section was safe. So the lower reaches of theYellow Riverdyke reinforcement engineering was necessary.

lower yellow river;dyke quality;seepage stability calculation

TV871.2

B

1007-9467（2016）12-0082-02

2016-10-31

趙正偉（1984～），男，河南信陽人，工程師，從事水利工程規劃設計研究。