张明书， 陈海勇， 沈磊磊， 王丹生

(1. 中铁开发投资集团有限公司， 云南 昆明 650118； 2. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

堤防渗流是指水体在堤防内部的流动，可引发管涌和背坡面滑动等不同形式的堤防破坏与变形，甚至可直接导致堤防决口，造成极大的危害与损失[1～3]。渗流的理论计算是在已知定解条件下解渗流基本方程，从而求得渗流场水头分布和渗流量等渗流要素。然而，由于无压渗流有渗流自由面(浸润线)，且非稳定渗流自由面随库水位升降而变动，加之一般渗流场有不同程度的非均质性和各向异性，几何形状和边界条件较复杂，解析求解在数学上存在不少困难，仅能对一些简单流动的情况获得解析解[4]。尽管已有不少理论研究将传统的理论方法进行了改进，例如有学者提出采用固定边界求解有自由面渗流问题的初流量法，成功解决了传统自由面法对有不同渗透介质的计算域不能适用的问题[5]。然而对于实际工程复杂的地质水文条件，出于计算效率的需要，堤防渗流的稳定计算一般通过数值模拟进行分析求解。已有不少研究工作对堤防本身渗流稳定性进行了模拟分析。例如，有学者基于可靠度方法，并且考虑土壤参数不确定性[6]和土壤渗透系数的空间变异性[4]建立了黄河堤防渗透破坏和堤防断面渗透破坏的概率计算模型。然而，堤防附近的水文地质条件并非一成不变的，例如管道穿越[7]、隧道穿越[8]等实际工程都会对堤防及周边的渗流稳定性造成影响。尽管已有研究对上述影响进行了分析，但堤防周围地下综合管廊的施工对堤防渗流稳定性影响的研究则相对较少。

本文依托武九线综合管廊临江段项目，将管廊施工对临近堤防段的渗流稳定性影响进行数值模拟分析。渗流计算采用平面有限元计算分析法，使用河海大学的AUTOBANK7.0分析软件，对管廊施工过程中以及工程竣工后的堤防断面渗流场进行模拟计算，分析评价所选断面的渗透稳定性。

1 渗流计算基本理论

有限单元法在求解渗流问题时，一般以测压管水头H的分布为研究对象，作为二向渗流问题考虑，渗流的基本微分方程式及其边界条件如下：

(1)

(2)

式中：Ss为单位贮水量，即单位面积、单位厚度的含水层在水头降低一个单位时释放的水量；K为渗透系数；Kx，Ky分别为x，y方向的渗透系数；H为待求的水头势函数；q为自由面的流量；Γ1为第一类边界，Γ2为第二类边界；n为Γ2的外法线方向；t为时间。

为了简化分析，我们对渗流场的计算一般有以下基本假定：

(1)渗流场计算按平面稳定问题考虑；

(2)土层渗透性按各向同性考虑，即Kx=Ky。

当不考虑土体和水的压缩性时，Ss=0，则式(1)变为平面稳定渗流问题。其基本控制方程为：

(3)

渗流场常遇到两类边界条件。第一类边界Γ1为已知边界水头值；第二类边界Γ2为已知或计算出边界流量值。

计算分析时，堤后渗透坡降的大小满足下式要求时，认为堤防满足渗透稳定：

J≤J允

(4)

式中：J为土层实际渗透坡降；J允为土层允许渗透坡降。

2 工程背景

江南中心绿道武九线综合管廊工程位于武昌临江片区，地处长江主轴的核心区，是长江主轴的重要组成部分，工程主要沿武九铁路线，跨过民主路、公正路、友谊大道、和平大道延伸至临江大道东侧，直至德平路，如图1所示。

图1 武九管廊线路

新建江南中心绿道武九综合管廊后，长江堤防及管廊基坑附近的渗流场将发生变化。渗流场的变化可能会形成较大的水力坡降，对地基渗透稳定性造成一定影响。通过渗流计算，可以确定渗流场中水头分布特性及关键部位的渗透水压力以及通过地基的渗透流量。结合工程所在地的实际地质因素和水力条件，计算土层渗流路径上各点的水力坡降，并与允许水力坡降进行比较来评价地基的渗透稳定性。为了研究方便，我们主要分析计算管廊在工程施工期和运行期对堤防的渗流稳定性。

根据本管廊工程的详细勘察报告及武汉市江堤整险加固工程地质勘察报告，并结合文献[9]，取各土层允许水力坡降如表1所示。

表1 各土层允许水力坡降

3 数值模拟分析

3.1 模型简介

(1)概化模型

武车三路断面堤防主要形式为防洪墙，防洪墙临江侧和背江侧边坡坡比均为1∶3, 堤防背江侧简化为高程为24.56 m的水平地面，管廊边线距离堤脚31 m，武车三路管廊位置如图2所示，其中上部红色细实线部分为防洪墙，玫红色粗实线为堤脚线。

图2 武车三路管廊位置

`由以上资料，建立基本典型断面模型，如图3所示，其中模型长约220 m，以临江侧堤防内脚为参照基准，临江侧长约127.5 m，背江侧长约92.5 m，地面以下深约24.56 m。模型中管廊边界距离堤脚31 m，管廊顶部埋深3.46 m，管廊尺寸13.3 m×5 m。

图3 武九综合管廊长江堤防段断面模型/m

(2)土层信息

根据本管廊工程地质勘察报告，各层土体材料参数及堤防参数取值如表2所示。

3.2 工况设计及边界条件

工况一：基坑开挖断面形成，管廊未施工，外江遭遇施工当年11月～次年4月施工期水位，堤内水位与基坑底齐平。稳定渗流情况下，评价所选断面能否满足渗控计算要求。

工况二：基坑回填完成，外江遭遇设计洪水位，堤内水位与地面齐平，新填土按防治补救措施要求回填，渗透系数取1.0×10-5cm/s，稳定渗流情况下，评价所选断面能否满足计算要求。

表2 土体抗剪强度、渗透系数试验指标

3.3 数值计算结果与分析

管廊施工过程中和竣工后两种工况下计算得到模型渗流情况分别如图4，5所示，地基中的分界线为等势线。

图4 管廊施工过程中渗流等势线/m

图5 管廊竣工后渗流等势线/m

各断面、各工况下渗流场中的渗流流速和水力坡降分别如表3～5所示。从表3～5可知，对于武车三路断面：

(1)基坑开挖完成，外江遭遇施工期水位，基坑内水位位于基坑底面时为最不利计算工况。根据渗流计算结果，最大水力坡降为6.34且发生在基坑前边缘，小于允许水力坡降(>50)，且在施工中和竣工后两个工况中，堤防内脚处渗流流速明显增大，主要原因是竣工后按设计洪水位设置边界条件，外江水位的增加会引起该处渗流流速的增大。对于基坑前后断面，最大渗流流速均减小。各断面竣工前后最大渗流流速仅为1.08×10-7m/s，不会对渗流稳定产生影响，综上，可认为满足渗流稳定要求。

(2)工程完工后运行期，当外江水位达到设计洪水位时，最大水力坡降为0.09，且发生在堤防内脚，小于对应土层的水力坡降限值(1-1杂填土：0.20)；回填土内最大水力坡降为0.06，小于该土层的水力坡降限值(新填土：0.30)，综上，可认为满足渗流稳定要求。

(3)本文计算得到的各断面最大水力坡降与防洪评价报告给出的水力坡降值吻合较好。

表3 各断面、工况渗流场渗流流速 m/s

表4 各断面施工过程中的最大水力坡降

表5 各断面竣工后的最大水力坡降

4 结 论

本文以武汉长江堤防段的武九综合管廊施工为背景，采用AUTOBANK7.0分析软件，对管廊施工引起临近堤防段的渗流稳定性进行了数值模拟分析。研究结果表明：本文计算得到的水力坡降结果与设计院提供的防洪评价报告值吻合较好，验证了本文数值方法的可靠性。在两种最不利工况下，临近长江堤防段的水力坡降和渗流流速均满足各自土层的限值要求，说明临近长江堤防段的渗流稳定性满足要求。