中小河流河道堤防施工滲透系數確定方法的探討

葉萬超

(沈陽利鑫土木工程有限責任公司，沈陽 110000)

0 前 言

當前，中小河流治理需要對河道堤防的滲透系數進行合理設定，從而提高中小河流施工過程中的穩定性[1]。傳統方法大都采用數值模型模擬的方式進行滲透系數的推算，這種方式的優點在于可較為準確的實現不同河道堤防滲透系數的沿程分布，但缺點在于操作較為復雜，需要建立河道堤防的數學模型[2-4]。近些年來，河段堤防滲透系數采用物理模型的試驗方式，這種方式的優點在于可以較好的貼合工程實際，但缺點在于需要較多的經費完成。近些年來，通過原位觀測試驗的方式，對河道堤防施工滲透系數進行確定，這種方式較為簡單，且基本能符合中小河流工程實際，在許多地區中小河流河道堤防施工滲透系數的確定中得到應用，但在遼寧地區還未得到應用，為此文章分別結合物理模型和原位觀測兩種方式，對遼寧地區中小河流堤防施工中的滲透系數進行分析，探討最優化的滲透系數確定方法，研究成果對于中小河流河道堤防施工滲透系數確定具有重要的參考價值。

1 研究方法

物理模型水流流體，設定為多孔傳輸的介質，河道堤防的滲透系數采用達西定律進行計算：

(1)

該滲透系數物理模型簡化了傳統統達西計算定律的計算方程：

(2)

式中：K為確定的河道堤防滲透系數，cm/s；J為水力學比降，%；h為計算水頭，cm；S為水力半徑，cm；r為容重值，kg/m3。滲透孔隙度計算方程為：

(3)

由方程：

(4)

水流阻力系數計算方程為：

(5)

式中：a和u分別為地質參數。非穩定滲透水流的計算方程為：

(6)

各方向滲透系數的參數為常數值，則方程可簡化為：

(7)

若按照同一個方向進行滲透，則方程為：

(8)

式中：Z為滲透水流計算參數值。

2 研究實例

2.1 物理模型概況

物理模型試驗由過度連接段、動床河段、穩水河段三個部分組成，總長為45m。驗河槽動水段和過渡連接河段分別為30m和5m，采用長度為20cm的粗砂段將過渡連接河段與動水河床段進行連接，物理模型試驗河段如圖1所示。

圖1 模式試驗河段平面布置圖

2.2 地質參數分析

采用物理模型放水試驗的方式對滲透系數進行確定，首先結合原位觀測試驗方式對中小河流堤防施工不同試驗斷面的地質參數進行分析，如表1所示，結合各試驗河段的地質參數，分別進行15組物理模型方式試驗，對其滲透系數進行確地，滲透系數確定結果如表2所示。

表1 各試驗河段地質參數

表2 滲透系數計算精度分析

從各試驗河段的地質參數分析結果可看出，不同試驗河段的地質參數和其地質特征具有較大的相關性，土層厚度越大的河段，且黏聚力和內摩擦力一般較大，而對于地質類型而言，砂土和粉砂土內摩擦角一般較大，對于各地質類型而言，素填土的內摩擦角一般較小，素填土的黏聚力較低[5-7]。從15組放水試驗測定結果可看出，隨著地質土厚增加，其滲透系數一般有所減小，采用物理模型結合原位觀測的方式下，滲透系數計算值和試驗測定的滲透系數之間的相對誤差總體可控制在20%的設計標準誤差的范圍內，而絕對誤差也可低于2.0×10-5cm/s，滿足河道堤防施工滲透系數的計算要求，從15組放水試驗的誤差分布可看出，滲透系數計算值和試驗測定值之間可具有較好的相關度，相關系數可在0.6以上，因此文章采用的物理模型結合原位觀測的試驗方式測定的滲透系數具有較好的設計精度[8-10]。

2.3 不同方法對比分析

結合15組放水試驗測定的滲透系數，分別對傳統方法和新方法下的滲透系數進行對比分析，從而確定較為優化的河道堤防施工滲透系數的方法，兩種方法對比結果如表3所示。

表3 兩種方法的滲透系數對比結果

續表3 兩種方法的滲透系數對比結果

從兩種方法的滲透系數對比結果可看出，采用新方法后可有效降低滲透系數的誤差率，相比于傳統方法，其滲透系數的測定誤差可降低5%左右，且相關系數可提高0.2左右。這是因為新方法通過原位觀測的試驗方式對不同試驗河段的地質參數進行有效測定，解決傳統方法參數較難獲取的難題，此外新方法結合物理模型的試驗方式，通過放水試驗，對不同放水量下的河道堤防施工滲透系數進行試驗測定，這種方式較為貼合施工中小河流的實際情況，穩定性更好，使得新方法相比于傳統方法，河道堤防施工的滲透系數得到一定程度的提升[11-13]。相比于傳統數值模型方式，這種方法操作原理較為簡單，且需要的參數較少，但不足在于需要建立物理模型，通過不同放水試驗對其不同試驗河段堤防的滲透系數進行測定。因此在一些工程造價較高的中小河流，這種方式較為適宜，通過建立原位觀測試驗河段的物理模型，分析不同放水流量對河道堤防施工滲透系數的影響，而傳統采用數值模型的方式，需要確定不同河道的物理、地質參數，操作相對較為復雜。

3 結 論

1)土層厚度越大的河段，且黏聚力和內摩擦力一般較大，而對于地質類型而言，砂土和粉砂土內摩擦角一般較大，對于各地質類型而言，素填土的內摩擦角一般較小，素填土的黏聚力較低[14]。

2)采用物理模型結合原位觀測的方式下，滲透系數計算值和試驗測定的滲透系數之間的相對誤差總體可控制在20%的設計標準誤差的范圍內，而絕對誤差也可低于2.0×10-5cm/s，滿足河道堤防施工滲透系數的計算要求。

3)采用物理模型結合原位觀測的方式下。相比于傳統方法，其滲透系數的測定誤差可降低5%左右，且相關系數可提高0.2左右，操作原理較為簡單，且需要的參數較少，但不足在于需要建立物理模型，因此在一些工程造價較高的中小河流，這種方式較為適宜[15]。