水位升降条件下后张堤堤防非稳定渗流分析_赵红红

［8 ］
3． 1
水位升降的影响范围
20 a 一遇洪水位 24 h 升降过程中， 堤防及两岸地下水位变
化计算结果表明： 堤防外两岸自由水面变化受洪水位影响较 小， 洪水水位主要影响区域位于堤防内 ； 洪水位均匀升降对左 岸地下水位影响距离大约为 83 m， 对右岸地下水位影响距离大 约为 73 m； 在洪水位快速消退条件下 （ 12 h 内 ） ， 堤防后地面基 本不存在淹没现象。 江河水位降落影响指标
1211 收稿日期： 2012作者简介： 赵红红（ 1979 —） ， 女， 山东日照人， 工程师， 主要从事水工结构分析 工作。 Email： shijijingying@ 163． com
s ij s
[
]
。由于该地区多次出现防洪险情 ， 因此需要对该堤段进
· 11·
人 民 黄 河 2013 年第 11 期 数张量中仅与第 3 坐标轴有关的渗透系数值 ； k r 为相对透水 k r 为 h c 的函数， 率， 是非饱和土的渗透系数与同一种土饱和时 的渗透系数的比值， 在非饱和区 0 ＜ k r ＜ 1 ， 在饱和区 k r = 1 ； C 为 比容水度， 在正压区 C = 0 ； β 为饱和 － 非饱和选择常数， 在非饱 在饱和区等于 1 ； S s 为弹性贮水率， 饱和土体的 S s 和区等于 0 ， 为一个常数， 在非饱和土体中 S s = 0 ， 当忽略土体骨架及水的压 x j 为坐 缩性时对于饱和区也有 S s = 0 ； Q 为源汇项； t 为时间； x i 、 标张量。 降水入渗的非稳定饱和 － 非饱和渗流微分方程的定解条 件包括初始条件和边界条件 ， 初始条件为 hc （ xi ， 0） = hc （ xi ， t0 ） 边界条件为 hc （ xi ， t） | － （ i = 1， 2， 3） （ 2） （ 3）
Unsteady Seepage Analysis of Embankment Under Water Level Fluctuation
ZHAO Honghong1 ，QIU Qianyong2 ， WANG Feng3 ，ZHAO Pengfei4 ，QI Yuanhao4 ，HANG Jing5
（ 1． Construction Management and Trading Centre，Ｒizhao 276800 ，China； 2． Nanjing Academy of Urban Planning ＆ Design Co． Ltd，Nanjing 210098 ，China； 3． Jinhua City Port Navigation Administrative Office，Jinhua 321017 ，China； 4． Pudong New Area Sea Bank Management Office， Shanghai 201200 ，China； 5． Environmental Protection Science Ｒesearch Institute of Nanjing，Nanjing 210098 ，China） Abstract： The paper analybankment by using the quasi － 3D finite element numerical simulation method compared the characteristic of seepage field during the flooding period． The calculation results show that in the flood level fluctuation process，the flood has little influence to the free surface of the two banks． The area which the flood mainly influences is located in the embankment inside． The maximum seepage slope of water attaining surface increases with water level rising and gradually decreases with the drop of water level decrease． The maximum seepage slope of water attaining surface during the flood level lifting is higher than that during the flood level dropping at the same water level． At the beginning of the flood dropping，the maximum seepage slopes of water attaining surface of the two banks are higher than permissive permeability gradient and it cannot meet the requirements of stability． It suggests taking some effective reinforcement measures should be taken． Key words： water level fluctuation； embankment； unsaturated； unsteady seepage
［1 － 3 ］
1
饱和 － 非饱和稳定渗流计算原理
非饱和渗流基本微分方程是在假定达西定律同样适用于
非饱和渗流情况的前提下 ， 通过与饱和渗流相同的分析方法推 导出来的
［4 － 6 ］
。非稳定饱和 － 非饱和渗流基本方程为
h c h c － Q = C（ h c + βS s ） （ 1） ks k （ h ） + ks i3 k r （ h c ） x i ij r c x j t 式中： h c 为压力水头； k 为饱和渗透系数张量； k i3 为饱和渗透系
2
有限元模型和计算参数
根据工程实际情况， 选取姚家枢纽工程后张堤典型断面建
[
Γ1
= h c1 （ x i ， t）
h c ni | k kr （ hc ） + ks i3 k r （ h c ） x j
s ij
]
立二维有限元模型， 典型断面土体分层见图 1 。
= qn
（ 4）
图1
堤防及含水层典型断面
Γ2
－
[ k k （ h ） hx
s ij r c
c j
ni | + ks i3 k r （ h c ）
]
Γ3
≥ 0 且 hc |
Γ3
=0 （ 5）
－
[
h c ni | ks + ks ij k r （ h c ） i3 k r （ h c ） x j
]
Γ4
= q r （ t）
（ 6）
式中： n i 为边界面外法线方向余弦 ； t0 为初始时刻； h c1 为已知水 t0 ） 为初始时 头； q n 为已知流量； q r （ t ） 为降水入渗流量； h c （ x i ， 刻 t0 渗流场压力水头； Γ1 为已知水头边界； Γ2 为已知流量边 界； Γ3 为降水入渗边界； Γ4 为饱和逸出面边界。
全。后张堤闭合区堤防长 6． 3 km， 设计防洪标准为 20 a 一遇。 研究区属亚热带季风气候区 ， 多年平均降水量为 1 631． 7 mm， 雨量丰沛， 但降水时空分布不均。研究堤段河道正常蓄水位为 28． 50 m， 20 a 一遇设计洪水位为 35． 65 m。堤基和堤身主要由 沙砾（ 卵） 石、 粉质黏土等组成。河床部分为沙砾 （ 卵 ） 石， 基岩 为泥质粉沙岩。附近地层岩性从上到下为粉土层 、 卵砾石层、 粉质黏土层、 全风化泥质粉沙岩。 洪水期河道水位的快速涨落会影响堤防的稳定性 ， 尤其在 水位迅速回落时， 因堤防内的水不能及时排出而导致堤防边坡 孔隙水压力无法及时消散 ， 从而形成不利于上游边坡稳定的非 稳定渗 流， 造 成 堤 防 迎 水 面 边 坡 失 稳， 严重时可能导致溃 坝
［7 ］
3
计算结果分析
采用饱和 － 非饱和非稳定渗流模型计算水位升降过程中
渗流场变化， 分析 20 a 一遇洪水位条件下堤防后土地淹没情 评估水位升降过程中堤防的渗透稳定性 。 针对河道洪水监 况， 测资料， 拟采用水位上升和水位下降 2 种工况进行计算分析。 水位上升过程即在 12 h 内河道水位由正常蓄水位 （ 28． 50 m ） 均匀上升至 20 a 一遇洪水位（ 35． 45 m） ， 下降过程即在 12 h 内 河道水位由 20 a 一遇洪水位均匀降至正常蓄水位 。 模拟采用 每 4 h 提取数据进行分析。 时间步长为 1 min，
姚家枢纽为钱塘江中上游衢江航运开发工程的组成部分 ， 工程以航运为主， 兼顾发电以及改善水环境和灌溉条件等综合 开发利用。后张堤位于姚家枢纽内 ， 是区域内的重要堤防， 担
2 负着沿江 9 000 余人和近万亩 （ 1 hm = 15 亩 ） 土地的防洪安
行二次加固。笔者结合工程地质资料 ， 选取典型剖面建立二维 有限元模型， 对堤防加固前后水位升降条件下的非稳定渗流场 进行了模拟分析。
第 35 卷第 11 期 2013 年 11 月
人 民 黄 河 YELLOW ＲIVEＲ
Vol． 35 ， No． 11 Nov． ， 2013
【 防洪·治河】
水位升降条件下后张堤堤防非稳定渗流分析
1 2 赵红红 ， 邱乾勇 ， 王 3 4 4 峰， 赵鹏飞 ， 祈元昊 ， 杭
静
5
（ 1． 日照市建设市场交易中心 ， 山东 日照 276800 ； 2． 南京市水利规划设计研究院 ， 江苏 南京 210098 ； 3． 金华市港航管理处， 浙江 金华 321017 ； 4． 上海市浦东新区海塘管理署 ， 上海 201200 ； 5． 南京市环境保护科学研究院 ， 江苏 南京 210098 ）