基于飽和—非飽和滲流理論對渠堤進行滲流分析計算

付月丹

【摘要】本文基于飽和-非飽和滲流理論，建立渠堤邊坡二維滲流模型，利用Geo-Studio的SEEP/W進行滲流分析計算。根據計算結果，得出滲流速度、滲透坡降，滲透流量等參數，并提出相應工程措施，避免發生滲透破壞，為類似非飽和土體滲流分析計算提供參考。

【關鍵詞】滲流；飽和-非飽和；滲透坡降；防滲措施

前言

一般情況下，我們把流體在多孔介質中的流動稱為“滲流”，傳統土石壩或堤壩滲流分析，常忽略非飽和土的滲透性，造成計算結果不能真實反應地下水滲流，對防滲及邊坡穩定計算有影響。S.P.Neuman曾提出引入有限單元法對飽和-非飽和土體建立有限控制方程進行離散求解；Van Genuche得出的廣泛應用的非飽和土體滲流計算公式。本文在理論的基礎上，擬合土壤水分特征曲線，利用有限分析軟件Geo-Studio的SEEP/W建立二維滲流模型進行滲流計算，并提出相應的防滲措施，為類似飽和-非飽和渠堤或堤壩滲流分析提供參考。

1、飽和與非飽和滲流理論

飽和-非飽和土體所具備的能量用力學觀點解釋為“土水勢”。其包括由重力場作用引起的重力勢，由壓強差引起的壓強勢和由土的基質對水分的吸附作用產生的基質勢，非飽和區基質勢<0，飽和區基質勢>0。

根據質量守恒定律以及假定滲透系數張量與坐標方向一致，

得出：

上式即為飽和-非飽和滲流基本微分方程。

2、 數值分析計算

本文選取某電站右岸渠堤，堤身采用砼面板砂卵石填筑，尾水渠底寬91m，正常水深7.94m，尾水渠道地質結構為第四系沖積層（Q42al、Q41al），地層巖性存在卵礫石夾砂、粘質或粉質土，覆蓋層堆積厚度12～26m，下伏基巖為白堊系，下統夾關組（K1j）。計算工況選擇為：施工期尾水渠開挖至建基面高程354.5m，右岸地下水位為豐水期地下水位374.5m。典型剖面的滲流場、水頭等值線、滲透坡降等值線分別見圖1圖2。

計算結果表明：

（1）右岸地下水滲流特征主要反應在覆蓋層區域內，即滲流通道主要位于覆蓋層，各剖面滲流特征均符合地下水流動規律；

（2）各剖面的水頭等值線均從影響范圍邊界向尾水渠中心降低，沿滲流路徑變化緩慢，分布較均勻，在滲流逸出點附近分布加密。滲流速度沿滲流路徑分布也較均勻，逸出點最大坡降在0.5～0.6略大于覆蓋層允許值有滲透破壞的可能性，總滲流量為0.042m3/s；

（3）各剖面滲透坡降等值線隨著浸潤線的降低而增大。渠堤邊坡以外，滲透坡降等值線分布較疏，變化緩慢；渠堤邊坡坡腳處，滲透坡降等值線分布較密，且變化較快。

3、工程措施及建議

鑒于滲流計算得出滲流量較大及滲透坡降較大，易產生滲透破壞的可能性，因此需采取相應工程措施：1）右堤邊坡間隔3m設置梅花樁形式的排水管，按每根排水管0.5L/s的排水量，間隔一定距離設置一臺多級離心泵，抽水量在6.3m3/h；2）為保證局部邊坡穩定，防止滲透破壞，擬對邊坡采取反濾層、透水土工布、壓重等工程措施，控制右岸地下水對渠堤邊坡造成局部滲透破壞。

參考文獻：

[1] 陳崇希，林敏.地下水動力學[M].武漢：中國地質大學出版社，1999.

[2] Neuman，S.P.Galerkin approach to saturated-unsaturated flow in porous media.Finite elements in fluids.vol.1.viscous flow and hydrodynamical.London：Wiley 1974：201-217.

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