某深厚透水層堤防減壓井三維有限元分析應用

陳次葵

（湖南建工集團有限公司，湖南 長沙 410000）

引 言

洞庭湖地區堤防工程廣泛存在著深厚透水層基礎，這為堤防工程的防滲設計帶來困難。堤防工程的防滲措施主要分為垂直防滲和水平防滲[1]。對于基礎中透水層厚度不大，可采用垂直防滲墻截斷透水層的方式；對于堤防基礎中透水層深度過大，采用防滲墻無法有效截斷強透水層，而懸掛式防滲墻的防滲效果有限，通常采用堤后水平蓋重或者減壓井的方式[2]，但是采用蓋重往往涉及征地和移民安置，同時工程量巨大，經濟性較差。減壓井不會占用過多的土地，工程量較小，經濟性較好，應用較為廣泛，但是減壓井的設計和計算較為困難，減壓井效果的評價以往采用“以溝代井”進行二維替代計算[3～4]，至于減壓井的出水量，以往采用的經驗公式計算[5]。本文對減壓井進行了三維有限元分析，重點對減壓井的防滲效果和單個減壓井的出水量進行了應用研究，可為類似堤防設計提供參考。

1 計算條件

洞庭湖區某堤防基礎屬于深厚透水層基礎，堤頂高程為45.73 m，堤頂寬度為7.2 m，設計洪水位為43.65 m，粉細砂出現在33 m 高程，河床中砂礫石揭露，28.90 m 高程以下均為砂礫石，堤后地面高程位于35 m左右，歷年高水位時，均會出現管涌險情，斷面情況見圖1 和表1。單從堤基滲透穩定考慮，僅考慮減壓井堤防滲透穩定即可滿足要求，但減壓井并不能切斷堤身的滲漏通道，故采取防滲墻進行堤身防滲加固，采取減壓井進行堤基滲透穩定加固。

表1 有限元計算材料表

圖1 計算斷面基本情況圖

為了了解不同間距情況下，減壓井的效果及出水量，擬定4 個計算方案：方案1 減壓井間距為20 m；方案2 減壓井間距為40 m；方案3 減壓井間距為80 m；方案4 減壓井間距為160 m，計算模型和計算方案示意圖見圖2 和圖3。

圖2 三維有限元計算模型圖

圖3 不同計算方案示意圖

2 計算結果及分析

圖4～圖6 給出了堤防總水頭云圖和流速矢量圖。減壓井通過濾水管將來自上游滲透水流直接導入井內，顯著改善了堤身和堤基的總水頭分布，避免單一地分布在相對不透水層，從而降低相對不透水層的滲透坡降，以達到保護堤基滲透穩定的目的。

圖4 減壓井斷面總水頭分布云圖（單位：m）

圖5 減壓井斷面流速矢量圖

圖6 不同減壓井間距情況下總水頭云圖（單位：m）

表2 給出了不同減壓井間距情況下單個減壓井的出水量。由表可知，當減壓井間距越小，單個減壓井的出水量越小。一般來說，市面上可拆卸Φ60 減壓井的設計出水量為18 L/s，所以減壓井的間距不宜過大，不宜超過30 m，過大的間距，會導致局部水體無法有效排走，不利于減壓井和堤基的穩定。

表2 不同減壓井間距情況下單個減壓井的出水量

3 結 語

本文利用三維滲流有限元對某段堤防進行了計算分析，重點對堤后減壓井的三維滲流計算進行了分析，得到結論如下：

1）減壓井的間距和單個減壓井的出水量成正比，間距越大，單個井出水量越大；

2）減壓井的間距不宜超過30 m，過大的間距，會導致局部水體無法有效排走，不利于減壓井和堤基的穩定。