基于有限元模擬的潰修段堤防局部沉陷成因分析

張 鵬，王 建，彭澤豹

(河海大學 水利水電學院，南京 210098)

0 引 言

在我國，堤防工程已成為重要的防洪工程，但由于自身的復雜性以及施工技術(shù)的限制，堤防工程在運行過程中容易產(chǎn)生滲水、管涌、散浸等險情，尤其對于某些填筑質(zhì)量較差的堤防，堤防邊坡容易產(chǎn)生局部沉陷問題。因此需及時判別險情成因，采取相應加固措施，避免險情進一步擴大[1]。目前，對于堤防險情分析主要有兩種方式，其一是根據(jù)現(xiàn)場情況、總結(jié)歷年險情并依據(jù)經(jīng)驗進行判別分析[2]，其二是通過有限元計算進行分析[3]。但對于分析土工膜缺陷引起的局部沉陷險情，上述兩種方法均有一定的局限。

土工膜作為防滲效果較好、成本較低的防滲材料，其應用越來越廣泛。但土工膜在生產(chǎn)及現(xiàn)場施工過程中易發(fā)生破損，故在高水位長期作用下，土工膜破損部位易發(fā)生滲透變形，進而引發(fā)局部沉陷、管涌等險情，并且隨著土工膜應用地越來越廣泛，由土工膜缺陷引發(fā)的險情也必將增多，但目前對于該類險情的成因分析缺乏有效的方法及手段。

本文在此基礎(chǔ)上，以某潰修段堤防為例，針對其運行過程中出現(xiàn)的迎水坡局部沉陷問題，綜合利用有限元模擬分析、地質(zhì)勘探、沉降及水位監(jiān)測、雷達隱患探測方法，對沉陷險情做出綜合分析，并提出合理加固措施。

1 堤防及沉陷基本情況

本文研究的堤防位于黑龍江干流，全長約750 m(樁號0+0～0+750)，其中450 m為潰口重修段(樁號0+150～0+600)，潰口最大深度達15.8 m，堤防搶險施工斷面圖見圖1。

圖1 潰修段堤防斷面圖(單位：cm)Fig.1 Section of the repaired embankment

由圖1可以看出，潰口中心段采用風化料進行填筑，兩側(cè)用砂性土填塘固基，最上層為砂性土加高層；迎水坡坡腳設(shè)置了水泥土多頭攪拌樁防滲墻，深度約16 m；從防滲墻至迎水坡坡頂布置防滲土工膜，與防滲墻組成完整防滲體系。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，在堤防段樁號0+490附近，汛期水位降落后，發(fā)現(xiàn)該處出現(xiàn)明顯塌陷，涉及范圍自坡腳至距堤頂1/3高度，中心部位沉陷達40 cm。

為探明堤防地質(zhì)情況，分別在堤頂兩側(cè)及背水坡坡腳鉆孔取樣分析。根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，該堤段所處地層為第四系松散堆積層，堤防土體主要由級配不良細砂、級配良好粗砂構(gòu)成，屬于中等透水-強透水物質(zhì)，勘察期間可見堤身內(nèi)存在大量碎石、卵石、礫石等，堤防滲透系數(shù)較大，抗?jié)B穩(wěn)定性較差，高水位作用下容易發(fā)生滲透變形。但堤防邊坡較緩(坡度1∶4)，且土體內(nèi)摩擦角較大，故抗滑穩(wěn)定性較好，不易發(fā)生滑動失穩(wěn)。

堤防監(jiān)測過程中，在堤防背水坡坡頂及背水坡坡腳分別布置21個水準觀測點，堤頂測點編號為DS1-DS21，堤腳測點編號為DX1-DX21，堤腳與堤頂?shù)臏y點編號分別對應。沉陷部位位于測點DS17-DS18之間，堤頂測點沉降變化曲線見圖2。從中可以看出，正常情況下各測點沉降值均勻增加，連續(xù)變化，且沉降速率逐漸減小，趨于穩(wěn)定，最大沉降值不超過12 mm；但沉陷處附近測點DS17與DS18的沉降值相比其他測點較大，最大沉降值達18 mm。

圖2 堤頂測點沉降變化曲線Fig.2 The settlements changing curves of measuring points on the top of embankment

2 土工膜缺陷模擬及沉陷機理分析

實際中，導致堤防發(fā)生局部沉陷的原因很多，針對本文研究的堤防，推測局部沉陷的發(fā)生與土工膜破損有關(guān)。本節(jié)利用有限元模擬土工膜缺陷，計算高水位下堤防滲流場及土工膜破損處滲透坡降值，進而判斷推測的合理性，并分析確定堤防局部沉陷機理。

2.1 缺陷模擬形式

對于土工膜缺陷的模擬，目前主要按形狀分為形狀不規(guī)則的孔(洞)狀缺陷和長條形的縫狀缺陷兩種類型。其中孔狀缺陷一般可用面積等效的正方形缺陷來代替模擬，長度大多在厘米級。對于土工膜缺陷處滲流的模擬，主要有兩種模擬方法，一種是剔除土工膜缺陷處單元的方法，即將缺陷處作為邊界條件直接施加相應的作用水頭；另一種是放大缺陷處單元滲透系數(shù)的方法[4]。

考慮本研究堤防的實際情況及研究方便，采用面積等效正方形的方式來模擬土工膜缺陷，等效面積為10 cm×10 cm。對于土工膜缺陷滲漏模擬分別采用剔除缺陷處土工膜單元和放大滲透系數(shù)為1 m/s的方式。

2.2 有限元模型建立

計算模型的邊界條件如下：不透水邊界包括底部截取邊界、堤防段兩側(cè)截取邊界；已知水頭邊界包括上下游側(cè)截取邊界、堤防迎水坡；溢出邊界為上游水位以上堤防上游坡面，下游水位以上坡面。根據(jù)實際情況，大約判斷出土工膜缺陷部位與堤腳的距離約為0.5 m，網(wǎng)格剖分時，加密土工膜缺陷處網(wǎng)格，計算單元類型采用C3D8P，最終生成有限元模型的網(wǎng)格總數(shù)為190 892，節(jié)點總數(shù)為203 229，具體模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型Fig.3 Finite element calculation model

2.3 計算參數(shù)及計算方案

計算模型中涉及堤防與地基的計算參數(shù)如表1，其中0.3 mm土工膜等效為厚度為30 cm的材料，相應滲透系數(shù)放大1 000 倍[4]。

計算方案見表2，其中土工膜缺陷單元等效面積為10 cm×10 cm，與坡腳距離為0.5 m。上下游水位采用監(jiān)測期內(nèi)最高水位值，即上游水位為99.5 m，下游水位為96.6 m，最高水位高出迎水坡坡腳約1 m。

表1 模型各分區(qū)滲透系數(shù)Tab.1 The permeability coefficient of each partition of the model

表2 計算方案表Tab.2 Calculation schemes

2.4 結(jié)果分析

對于土工膜缺陷分別采用了剔除缺陷單元及增大缺陷單元滲透系數(shù)的方法進行計算分析，結(jié)果顯示兩種方法計算出的浸潤線、滲流場基本一致，但增大缺陷單元滲透系數(shù)法計算更為方便，限于篇幅，以下僅給出增大缺陷單元滲透系數(shù)法的計算結(jié)果。

(1)浸潤線分析。根據(jù)計算結(jié)果可知：土工膜缺陷計算出的堤防浸潤線與土工膜完整計算出的浸潤線總體上接近，但在缺陷部位浸潤線抬高，其影響半徑約為3 m，其中土工膜完整方案的孔隙水壓力圖如圖4所示，兩種方案下的缺陷部位孔隙水壓力圖如圖5所示。

圖4 土工膜完整橫剖面孔隙水壓力圖(單位：kPa)Fig.4 Distribution of pore pressure when the geomembrane is complete

圖5 兩種方案土工膜缺陷部位孔隙水壓力圖(單位：kPa)Fig.5 Pore pressure distribution of two plans in local defect area

(2)滲流場位勢分布。根據(jù)計算結(jié)果可知：土工膜完整時，滲流水頭損失由防滲土工膜承擔；土工膜出現(xiàn)缺陷時，缺陷部位滲流水頭損失由膜下土體承擔，故當土工膜出現(xiàn)破損時，極易產(chǎn)生滲透變形。兩種方案計算出的堤防整體等勢線基本一致，僅在缺陷部位差別較大，兩種方案土工膜缺陷部位等勢線圖如6所示。

圖6 兩種方案土工膜缺陷部位等勢線圖Fig.6 Equipotential line distribution of two schemes in local defect area

(3)滲透坡降分析。兩種方案計算出的堤防最大滲透坡降值如表3所示。從中可以看出，土工膜完整時，計算出的土體最大滲透坡降值為0.019，遠小于堤防土體的允許滲透坡降值，故發(fā)生滲透變形的幾率很小；土工膜局部缺陷時，計算出的缺陷部位滲透坡降值為8.62，遠大于允許滲透坡降值，故缺陷部位土體極易發(fā)生滲透變形。

表3 兩種計算方案的堤防最大滲透坡降值Tab.3 The maximum infiltration slope valueof two calculation schemes

根據(jù)有限元計算結(jié)果，土工膜破損處滲透坡降值較大，最大值達8.62，遠超土體允許滲透坡降值，因而土體極易發(fā)生滲透破壞。同時堤防搶險時采用風化料填筑，堤身碎石、礫石較多，骨架作用明顯，且堤防土體總體級配不良，故結(jié)合堤防地質(zhì)特點，可以分析出堤防局部沉陷發(fā)生的機理：當水位超過土工膜破損部位時，在高水位作用下，堤防土體會沿土體粗顆粒骨架流失，形成空洞、滲漏通道等，進而導致堤防產(chǎn)生沉陷。

3 沉陷成因驗證及加固措施

上述分析表明土工膜破損會導致堤防發(fā)生滲透變形，進而引發(fā)局部沉陷，但實際中，導致沉陷發(fā)生的原因有很多，需要結(jié)合實際情況具體分析。下面將結(jié)合雷達隱患探測結(jié)果、水位及沉降監(jiān)測資料分析驗證上述成因推測，并提出合理加固措施。

3.1 探地雷達現(xiàn)場探測分析

為了解潰修段堤防的填筑情況及可能存在的隱患情況，采用SIR-20型探地雷達進行無損探測。探地雷達是由地面的發(fā)射天線將電磁波送入地下，經(jīng)地下目標體反射被地面接收天線接收，通過分析接收到的電磁波的時頻、振幅特性，可以評價地質(zhì)體的形態(tài)和性質(zhì)。探地雷達具有高效、快速、分辨率高的特點，能夠適應堤防軸線較長、土體介質(zhì)較復雜的情況[5,6]。

根據(jù)現(xiàn)場情況，在堤防迎水坡坡腳、坡面及坡頂共布置三條縱向測線，測線長度覆蓋整個潰修段堤防，布置完測線后，完成雷達參數(shù)設(shè)置，并沿布置的測線進行現(xiàn)場探測與數(shù)據(jù)處理。其中迎水坡坡腳局部雷達圖像如圖7所示。

圖7 迎水坡坡腳局部雷達圖像Fig.7 Local radar image of riverside slope foot

圖像中橫坐標表示雷達測線方向，縱坐標表示探測深度方向，圖中線框部分大約為迎水坡沉陷部位。從雷達圖像可以看出淺層部位圖像同相軸均勻連續(xù)，略有起伏而無大的波動，而堤防表層為混凝土板護面及墊層，無較大破壞，驗證了圖像的合理性。再往下可以看出圖像出現(xiàn)同相軸錯亂、衰減、雜亂無序等形態(tài)，尤其是在剖面水平距離190～210 m之間，垂直深度1～3 m的范圍內(nèi)，同相軸出現(xiàn)斷裂與局部不連續(xù)的情況，接收到的反射波強度與同深度相比有所增大，可以判斷出此處土體填筑疏松，存在較大孔洞，甚至存在滲漏通道，而該處即為堤防沉陷部位。

從地質(zhì)雷達探測結(jié)果可以看出，沉陷部位土體存在較大孔洞、且土體填筑疏松，在水力坡降較大情況下容易發(fā)生土體流失，因而可以推斷堤防局部沉陷與滲透變形有關(guān)。

3.2 監(jiān)測資料分析

根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇了4個典型斷面，每個斷面布置3根測壓管，分別位于堤頂兩側(cè)及背水坡坡腳，用于監(jiān)測堤身浸潤線的變化過程，監(jiān)測周期約6個月，包括了水位從枯水期—汛期—枯水期的完整變化過程。其中沉陷部位位于3號斷面(樁號0+498)附近，斷面3的水位歷時曲線見圖8，沉陷部位測點沉降及水位隨時間的變化關(guān)系見圖9。

圖8 斷面3水位歷時曲線Fig.8 Water level duration curve of section 3

圖9 沉陷處背水坡堤頂沉降隨時間變化曲線Fig.9 The curves of settlements varing with time on the top of downstream slope near the subsidence area

從圖8可以看出，3根測壓管之間的水位差較小，說明堤防填料水平滲透性強；同時江水位變化時，測壓管水位變幅較小，也說明堤防防滲系統(tǒng)總體工作正常。

由圖9可以看出，年內(nèi)高水位出現(xiàn)在7月中旬，最高水位大約在堤腳以上1.0 m左右，而這一時期沉陷位置附近的測點沉降值恰好出現(xiàn)異常。同時高水位出現(xiàn)之前與之后堤頂測點沉降均較平緩，但在高水位浸泡下，堤頂沉降快速，這與堤身濕陷或滲透變形有關(guān)，由于沉降的局部性，而不是整體均勻下沉，故滲透變形的可能性更大。但堤防防滲設(shè)施工作情況總體正常，所以滲透變形的發(fā)生應與土工膜局部破損有關(guān)，即在高水位下，土工膜破損處水力坡降較大，進而引發(fā)滲透變形。

綜合地質(zhì)勘探、監(jiān)測資料及地質(zhì)雷達探測結(jié)果可以驗證：沉陷的發(fā)生應與土工膜局部破損有關(guān)。即在高水位下，土工膜破損處滲透坡降較大，且該處土體填筑疏松，存在較大孔洞，同時堤防土體以級配不良的砂土為主，故土體細顆粒易隨孔洞、裂隙流失，進而導致沉陷的發(fā)生。

3.3 加固措施

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，土工膜破損對堤防整體影響較小，僅對破損部位影響較大，在高水位長期作用下，易引發(fā)沉陷、滑坡等險情，但若不及時處理，險情將進一步擴大，甚至會影響堤防的安全運行。

對于土工膜破損引起的局部沉陷問題，可分為以下兩種情況進行加固處理。對于水位降低后沉陷部位位于水面以上的，將破壞處挖開，然后分層填土夯實，直至恢復原狀，并找到土工膜破損處，將其修復，從源頭解決沉陷問題；當沉陷部位位于水面以下的，先拋填麻袋、編織袋等將其填滿，再拋填黏土封堵，阻隔滲水通道[7,8]。沉陷部位加固完成后，應使用地質(zhì)雷達進行探測分析，確保加固后的堤防填筑良好；并繼續(xù)進行水位及沉降監(jiān)測，保證堤防的安全運行。

4 結(jié) 語

通過有限元模擬土工膜缺陷，分析表明在汛期高水位下，土工膜缺陷對堤防整體影響較小，對缺陷部位影響較大，缺陷部位滲透坡降最大值為8.62，遠大于允許值，易發(fā)生滲透變形破壞，進而引發(fā)局部沉陷；同時通過地質(zhì)勘探、水位及沉降資料分析、雷達隱患探測驗證了上述觀點，最終確定堤防局部沉陷是土工膜局部破損，土體在高水位下沿孔洞、滲漏通道流失引起的滲透變形造成的，為堤防除險加固提供依據(jù)。

綜合上述研究可知，利用有限元模擬、地質(zhì)勘探、水位及沉降監(jiān)測、雷達隱患探測的險情綜合分析方法可以有效判別由土工膜破損引起的局部沉陷問題，從而及時采取措施，避免險情進一步擴大，具有一定的工程實用價值。

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