濱江城市堤防工程滲透特性分析

摘 要：針對濱江城市的堤防工程安全檢測問題，本文提出了一種滲透特性的分析方法。選取了安慶市作為長江沿江城市的代表，以安慶市的濱江大道堤防工程為具體研究案例。綜合考慮滲流水流速、滲流水流量、土質滲透系數等多個參數，建立了堤防工程滲透特性的計算模型。結合MATLAB和有限元軟件，構建了安慶市濱江大道堤防工程的截面圖。給出了黏土的土基質吸附力變化曲線和浸潤線下堤防工程承受的水力變化，據此進行了滲透特性的計算和分析，給出了濱江大道堤防工程處在安全等級的結論。

關鍵詞：濱江城市；堤防工程；滲透特性

中圖分類號：TV 87 文獻標志碼：A

隨著長江經濟帶發展規劃落實，濱江城市的沿江道路和生態環境保護建設與城市防洪工程的聯系越來越密切[1]。如何在確保城市防洪安全的前提下，建設城市沿江道路、保護生態環境，成為水利工程領域的一項重要課題[2]。長江是我國最長的河流，流域內水系覆蓋面積大，濱江城市眾多。從城市發展和安全需要的角度出發，長江沿線的濱江城市大多修有堤防工程。但是，這些沿江而建的地方工程，受地理等因素限制，防洪標準一般不高且現有情況較差。自1998年大洪水以后，長江流域內濱江城市也沒有進行普遍意義上的統一的堤防工程建設。從現有的情況來看，全流域內濱江城市的堤防工程普遍以54型防洪標準為主，還有進一步提升的空間[3]。針對這種情況，本文結合安慶市濱江大道堤防工程進行滲透特性分析，以期更好地提升濱江城市的堤防工程建設質量。

1 濱江城市堤防工程案例分析

1.1 濱江城市堤防現狀

為了滿足濱江的城市特征，本文選擇安慶市作為代表。從地理位置上來看，安慶市屬于安徽省的地級市，為安徽省、湖北省、江西省三省交匯的要沖。安慶市毗鄰長江，在長江以北的皖河與長江交匯處。因此，安慶市是非常典型的濱江城市。為了防御長江和皖河的水患，安慶市建立了完備的堤防工程。

安慶市的堤防工程主要分為三段：第一段，安慶江堤堤防工程；第二段，廣濟江堤堤防工程；第三段，梅林堤堤防工程。其中，第一段堤防工程全長18.6km，建設等級為1級堤防級別；第二段堤防工程全長24.8km，建設等級為2級堤防工程；第三段堤防工程全長6.3km，建設等級為2級堤防工程。

從地理位置上來看，安慶市的第一段堤防工程從西向東，起于獅子山、止于幕旗山。第一段堤防工程的主體結構為防洪墻結構，在土質堤壩的內部嵌入大量的鋼筋，以提升堤壩的強度。安慶市的第二段堤防工程以土質結構為主，堤壩內部嵌入鋼筋較少。安慶市的第三段堤防工程也以土質結構為主，堤壩內部嵌入鋼筋較少或沒有鋼筋。

1.2 濱江大道堤防工程概況

為了滿足城市發展的需要，安慶市在原有三段堤防工程的基礎上，又興建了濱江大道堤防工程。這一堤防工程以保護濱江大道為主要目標。因為濱江大道沿著長江修建，并且貫穿了安慶市區。所以濱江大道的堤防工程，也是沿江而建，橫貫安慶全程。實際上，濱江大道及其堤防工程是作為整體化系統完成建設的。因此在建設過程中，除了最基本的道路施工、管線排布，還配置了污水處理和排水處理。為了更好地實現堤防工程的防汛任務、提升濱江大道的安全性，還配置了減壓井。為了便于正常的車輛行駛、鞏固堤壩，濱江大道及堤防工程中還包括了照明配置、綠化配置。

2 濱江城市堤防工程滲流計算模型

2.1 計算與仿真流程

濱江城市堤防工程長時間受到降水沖擊、基土沉降、自然風化等因素的影響，面臨的最大的問題就是工程主體出現滲漏、滲流問題的破壞。

因此，本文結合MATLAB等工具，針對安慶市濱江大道堤防工程進行滲流問題的仿真分析。滲流問題的仿真過程包括計算和仿真2個部分，具體的流程如圖1所示。

圖1中左側的4個步驟是根據堤防工程實際數據進行計算的流程。右側4個步驟是仿真環境下進行的處理流程。由此可見，左右兩側計算和仿真流程之間互相交流，最終得到滲流問題的分析結果。

2.2 滲流計算模型

針對濱江城市堤防工程可能發生的滲漏滲流問題，結合仿真軟件的仿真處理，是一種節約成本、處理高效的方法。但是，這個仿真處理的前提必須建立在對滲流問題的準確計算的基礎上，這就需要建立對應的數學模型。堤防工程出現滲流的原因是多方面的，也包括非常多的影響因素。為了簡化滲漏滲流的數學處理，需要對實際問題進行抽象，進而得到可以量化的、數據可得的數學模型。本文先給出第一計算模型。

v代表濱江城市堤防工程發生滲流時的滲流水水速；K代表濱江城市堤防工程發生滲流時基土條件施加影響的影響因子，是一個無量綱單位；H代表濱江城市堤防工程發生滲流時基土條件施加影響所造成的水頭損失；L代表濱江城市堤防工程發生滲流時的滲流長度；J代表江城市堤防工程發生滲流時基土條件施加影響所造成的水力梯度。那么就有，v=K·H/L，v=K·J。

滲流問題的第一計算模型可以進一步改寫為第二計算模型。

v代表濱江城市堤防工程發生滲流時的滲流水水速；Q代表濱江城市堤防工程發生滲流時滲流水的流量；A代表濱江城市堤防工程發生滲流時滲流水水體的截面積；K代表濱江城市堤防工程發生滲流時基土條件施加影響的影響因子，是一個無量綱單位；J代表濱江城市堤防工程發生滲流時基土條件施加影響所造成的水力梯度。那么就有，v=Q/A，v=K·J。

3 濱江城市堤防工程滲透特性分析

在前面的研究工作中，對濱江城市堤防工程進行了總體分析。進一步，以安慶市為具體研究對象，對安慶市防洪工程和濱江大道堤防工程進行概述。針對安慶市濱江大道堤防工程的安全性問題展開滲流特性分析。在這一過程中，建立了滲流模型，將滲流水流速、流量、滲流系數等參數統一在一個模型下。在接下來的工作中，將通過仿真測試對濱江大道堤防工程的滲流特性進行量化分析。

安慶老干道長5km，沿江道路寬約25m，已進行了黑化改造。新城區和郊區的沿江道路主要是利用安廣江堤堤頂道路，道路路面寬7m，并且破損嚴重。與江堤相交的道路僅有1條連通，其余均為斷頭路，無法發揮沿江路區域性主干路的功能，不能滿足當前交通需要，嚴重制約區域經濟的發展。

安慶市的堤防工程包括護坡處理、填塘蓋重、減壓井等元素，屬于綜合性堤防較完備的工程。其中，以第一段堤防工程安廣江堤為例，其整個護坡長度達到41km，并配套使用了石塊堆砌和草本種植的綜合防護方案。第三段堤防工程梅林堤的護坡長度較短，只有6.3km，但也綜合了石塊護坡和草護坡的形式，護坡效果更好。在第一段堤防工程中，進行填塘蓋重處理的長度超過35km；在第三段堤防工程中，進行填塘蓋重處理的長度幾乎覆蓋了整個堤壩長度。減壓井在第一段堤防工程中廣泛設置，總數接近150口，各減壓井之間的間距基本相同。

首先，借助MATLAB和有限元分析軟件，建立濱江大道堤防工程的截面模型，如圖2所示。

圖2中，含有大量的柵格單元，不同柵格分別代表了堤防材質的不同（砂土、黏土、中砂）。其中，黏土成分因黏性較大，具有一定的土基質吸附力，有助于提升水力工程的整體強度。濱江大道堤防工程中黏土的土基質吸附力隨著滲流導致的含水量飽和度變化曲線如圖3所示。

從圖3中的變化曲線可以看出，在滲流不存在或發生較微弱的情況下，黏土的基質吸附力具有較高的數值。但隨著滲流發生，黏土的基質吸附力出現持續下降，并且在滲流發生初期下降速度較快，其后呈現緩慢下降的趨勢?？梢?，滲流對濱江大道的堤防工程強度具有較嚴重的破壞作用。

在滲流模型中滲透系數是參與運算的重要參數。因此，首先對濱江大道堤防工程滲透系數的截面分布進行測算和繪制，結果如圖4所示。

圖4中存在1條因水平面造成的浸潤線，這條線以下的堤防工程都時刻受到水力作用。這種持續的作用以及沿截面的分布如圖5所示。

根據上述數據對安慶市濱江大道堤防工程的滲流情況進行計算。按照上游邊界取至長江深泓處、下游邊界取至距堤內腳約1000m～1500m處、頂部邊界為自由面的邊界條件；水位條件為上游按長江設計洪水位，下游按各斷面堤內地面最低高程的水位條件，施工期水位取設計枯水位4.30m。針對堤防現狀，按道路施工期以及運行期2種典型工況條件進行滲流計算和分析。結果表明，非減壓井段道路改建工程實施后對堤防滲透穩定性沒有影響。減壓井段3個斷面計算結果顯示，道路改建工程實施并恢復重建減壓井后對堤防滲透穩定基本沒有影響，滿足滲透穩定要求。

根據滲流情況，可以進一步得到濱江大道堤防工程的安全判定結果。1）工程施工前的天然狀態下，堤防的堤坡各工況下的抗滑安全系數滿足要求；臨江岸坡抗滑滿足要求。2）工程建成后，堤上段的2個斷面背水坡設計水位工況下的抗滑安全系數分別為1.31和1.46，不能滿足堤防工程設計規范要求的1.50，其余工況的抗滑安全系均滿足規范要求。3）為了保證堤防抗滑穩定的要求，設計單位對路基采取了水泥攪拌樁加固處理措施，經核算，2個斷面背水坡在設計水位工況下的抗滑安全系數均大于1.5，滿足堤防設計規范要求。4）路基填筑施工期，對原防洪堤采取臺階式開挖處理，綜合開挖坡比1∶3.0，計算成果表明，防洪堤施工期開挖邊坡的抗滑安全系數均滿足要求。5）工程建成投入運行后，臨江岸坡的抗滑安全系數與工程前相同，說明沿江道路的建設運行對岸坡的抗滑穩定性沒有影響。

4 結語

本文以安慶市作為濱江城市的代表，分析了其堤防工程的滲流特性并且進行測試，得到以下3個結論。第一，濱江城市道路建設要與城市防洪工程提升相結合，充分利用現有堤防工程。濱江大道的建設與堤防升級加固建設聯系密切。為避免重復建設，應集中資金辦大事，協調沿江道路建設和城市防洪工程建設同步進行。這樣，提高了城市防洪標準，在保證濱江道路城市主干道功能的同時，可減少建設用地，為城市發展空間創造良好的交通條件和景觀條件。第二，當規劃濱江道路時，要根據河道走向、堤防形態采取相應的道路形式，例如堤路合一型、堤路分離型等。第三，要與長江生態環境治理工程有機結合，在道路建設的同時，對沿江生態環境進行治理提升，使城市濱江帶成為安全路暢、岸美水清的風景線。

參考文獻

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