西院滯洪區一期工程湖底開挖防滲計算分析研究

葉志軍

（福建省漳州市城市建設投資開發有限公司，福建 漳州 363000）

1 工程概況

西院滯洪區一期工程位于漳州市薌城區北臨瑞京路，南臨北江濱路，西臨惠民路，東臨薌城交警大樓，總占地面積約378.28 畝（不含金峰污水處理廠89.95畝）。根據西院滯洪區（西院濕地公園）一期總體規劃，濕地園內部結合規劃水利滯洪區設計了約34 600 m2的人工湖。人工湖不僅是漳州城區水系的重要滯洪區，也是滯洪公園的核心。因此，本護岸設計將主要采用可呼吸的生態護岸型式，實現綠地與湖體的有機溝通。根據景觀布置的不同要求，分別采用緩坡入水護岸、淺水濕地護岸、卵石平灘護岸、木樁圍島護岸及橋下過渡護岸，護岸總長約1 325 m。

2 計算內容及參數選取

2.1 計算內容

由于西院濕地公園緊鄰九龍江，下伏強透水層，如西院濕地公園開挖深度過深，在九龍江汛期高水位的情況下可能會發生管涌現象，給九龍江相應岸線堤防穩定帶來風險，因此必須要對鄰近九龍江的位置湖底開挖深度進行計算，確保防洪安全。計算對象為西院濕地公園人工湖，計算內容為滲流穩定計算，取包括湖區最深點的縱剖面作為計算剖面（圖1 所示），大堤至九龍江江底計算長度150 m，大堤至湖區邊界計算長度115 m，湖區邊界至湖底最深點計算長度70 m。計算組合工況如表1 所示。

圖1 計算剖面平面位置圖

表1 組合工況

2.2 地質資料

根據《西院滯洪區（西院濕地公園）一期—水閘泵站及湖體開挖駁岸工程地質勘察報告》，各土層物理力學指標及各土層滲透系數建議值如表2 所示。

表2 各土層物理力學指標

2.3 計算原理

本研究中開挖防滲采用slide（平面有限元滲流分析計算軟件）進行滲流及滲透穩定計算，二維穩定滲流的微分方程式為：

式中 h——總水頭；

kx，ky——分別為x 和y 方向的滲透系數。

計算采用二維平面有限元滲流模擬進行分析，選取三種工況：

1）施工工況：當本段九龍江達到百年一遇水位12.88 m 時，湖區對應水位取施工開挖最低坑底高程0.50 m；

2）正常工況：當本段九龍江達到百年一遇水位12.88 m 時，湖區對應水位取常水位4.00 m；

3）防滲處理后工況：當本段九龍江達到百年一遇水位12.88 m 時，湖區對應水位取常水位4.00 m，臨江側湖岸覆蓋0.5 m 厚粘土至湖底。

3 防滲計算結果分析

3.1 正常工況

該坡岸地形變化較小，坡岸通過適當的簡化，對典型剖面建立二維平面有限元模型。該坡岸處地下水位較低，模型下邊界為基巖一下約一倍壩高，并對局部區域進行網格細化，提高計算精度。通過對正常工況下湖區水平一處坡降、湖區垂直逸出坡降以及湖區總逸出坡降進行計算，得出了相應的滲流場分布圖如圖2 所示。由計算結果可以得知，整個滲流場的水頭分布基本合理，水頭等值線的計算結果能夠較為準確的反映各區域滲流情況及防滲措施的特點，整個典型斷面的滲流控制措施得到有效的反映。計算結果顯示：正常工況下，最大滲透出逸坡降為0.15。

通過對計算結果的分析，可以看出坡岸的防滲控制措施仍有進一步優化的空間。一是坡岸的上游存在較高的水頭壓力及滲透流速，其對坡岸的作用較為明顯，可以充分考慮防滲性能及抗裂縫沖蝕及裂縫自愈能力，并在坡岸下游設計合理的反濾層，可較好地解決坡岸的滲流沖蝕及不均勻沉降問題，防止坡岸水平裂縫的發生。二是下游排水體的合理設置，排水體能夠截斷坡岸未能截住的滲流，以較小的水頭損失排到坡岸以外，降低下游溢出點及下游滲流情況。尤其是近年來采用的反濾排水整體設計，排水體緊靠防滲體布置，充分發揮其排水作用，保證了反濾過渡層后壩體全部處于無滲流區。

3.2 施工工況

施工工況是指當本段九龍江達到百年一遇水位12.88 m 時，湖區對應水位取施工開挖最低坑底高程0.50 m。對典型剖面建立二維平面有限元模型，分別計算施工工況下湖區水平逸出坡降場、湖區垂直逸出坡降場以及湖區總逸出坡降場，得到的結果如圖3 所示。根據計算結果可以分析：施工工況下，最大滲透出逸坡降為0.19，相對于正常工況來說最大滲透出逸坡降提升了0.04，這也意味著在施工工況下，坡岸發生滲流破壞的可能想比正常工況下更高。因此，在臨江側湖區駁岸設置反濾層能夠起到防滲優化的作用。

3.3 防滲處理后工況

通過slide 滲流穩定計算和理正巖土-滲流問題公式法滲流穩定復核，西院濕地公園湖區滲流計算滿足規范要求，但是考慮到九龍江大堤的重要性及相關專家的意見，在臨江側湖區駁岸增設防滲反濾層，以保證大堤安全。

反濾層擬采用鋪設干砌塊石（厚300 mm）+碎石墊層（厚100 mm）+黃砂一層（厚100 mm）+土工布一層（250 g/m2）的防滲措施，鋪設范圍為駁岸線向湖中心15 m 范圍內。采用slide 計算軟件對此工況進行復核，結果如圖4 所示。

圖2 正常工況計算結果

圖3 施工工況計算結果

圖4 防滲處理復核計算結果

本工程滲流出口為第④層中砂，根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）第3.2.2 節，安全系數取值1.5，則允許水力比降為0.3/1.5=0.2。通過“slide”滲流穩定計算，防滲處理后，最大滲透出逸坡降為0.14，滿足規范要求，大堤防滲能力得到一定程度的加強。

4 反濾層的防滲機理及施工質量要求

4.1 反濾層的防滲機理

從前文數值模擬可以看出，在下游坡面設置反濾層有助于降低水力坡降。其具體的機理為，反濾層能夠防止壩體內粒徑較小的土顆粒隨著滲透水的流動而逐漸析出，同時又保證了坡面上游的滲透水阻礙較小，能夠順利排出，由此能夠有效地降低坡面下游的滲流位勢，在下游坡岸的出水位置形成無壓逸出狀態。反濾層的土料一般為多種不同粒徑的顆粒，粒徑較小的顆粒能夠阻止水中處于懸浮狀態的土顆粒在滲流狀態下不會析出。同時，由于反濾料較小的粒徑，它也能夠有效阻擋住坡岸壩體內的粒徑較大的土粒，防止其被滲透水帶走，發揮著保護坡岸的作用。

4.2 反濾層的施工質量要求

施工規范要求“反濾層厚度、鋪筑位置及反濾料的粒徑、級配、不均勻系數、含泥量等，均應符合設計要求”。對于已經完成鋪設的反濾層應實施成品保護，防止行人、車輛、雜物、污水等對其造成破壞。排水設施石料應質地堅硬，并且具有良好的抗凍性、耐水性，抗壓強度及幾何尺寸也應符合規范及設計要求，確保反濾層結構排水順暢。

5 結 語

本文通過利用有限元計算方法，結合西院滯洪區一期工程湖底開挖的實例求解坡岸在正常工況、施工工況以及防滲處理后工況下的滲流問題，得到了三種工況下的滲流結果，能夠真實反映滲流實際情況，有限元滲流分析是求解坡岸及土石壩滲流的有效手段。通過對計算結果的分析能夠初步了解防滲措施的控制效果，結果標明，在臨江側湖區駁岸設置反濾層的防滲措施能夠有效降低最大滲透出逸坡降，提升大壩的防滲能力。