黄河大堤放淤固堤的渗透稳定性研究

□董莉莉（黄河勘测规划设计有限公司）

□闫倩倩（河南省人民胜利渠管理局）

□刘许超（黄河勘测规划设计有限公司）

黄河大堤放淤固堤的渗透稳定性研究

□董莉莉（黄河勘测规划设计有限公司）

□闫倩倩（河南省人民胜利渠管理局）

□刘许超（黄河勘测规划设计有限公司）

本文针对黄河大堤存在的裂隙、孔洞等隐患，采用有限元渗流方法对各种可能存在的隐患进行模拟，研究不同隐患对黄河大堤的渗透稳定性的影响，同时对黄河大堤采用的放淤固堤的加固措施进行数值模拟研究，结果表明：各种隐患的存在加大了黄河大堤渗透破坏的可能，而放淤固堤的加固措施能够有效地减小这种可能，使大堤的渗透稳定性明显提高。

黄河大堤；渗透稳定；放淤固堤

1.前言

黄河是多泥沙河流，洪水进入下游后，泥沙不断淤积使河床抬高，形成地上悬河。解放后大堤不断加高，目前大堤一般高出地面10米左右，临背悬差3～5m，最大达10多米。由于黄河大堤堤身土料多为砂壤土、粘土、壤土混掺组成，土质极不均匀。根据历史险情、隐患探测的成果和钻孔中漏水漏浆情况，加上室内土工试验测定的堤身土的粘粒含量、干密度和渗透系数等指标，充分说明堤身填筑质量不好，存在裂隙、松散体、孔洞等现象，这些问题的存在对黄河大堤的正常运用存在严重的威胁，特别是洪水期，一旦有大洪水，出现险情的可能性大且出险位置的随机性很大，不易抢堵。所以，对黄河大堤必须进行加固处理，消除堤身和堤基隐患。黄河堤防加固主要是解决堤防溃决问题，因此对于堤身，不仅应满足渗流稳定要求，还要消除因填筑不实、土质不良、裂隙、松散体及孔洞等隐患引起的堤身破坏；另一方面由于黄河下游堤基复杂，洪水期容易形成集中渗流，出现渗透变形，甚至对堤防造成破坏。也要防止堤基问题引起的流土、管涌等破坏。

为减少黄河大堤险情，曾采用了多种除险加固工程措施。特别是近廿年来，在有条件的堤段，采用了放淤固堤的工程措施。放淤固堤是利用挖泥船或泥浆泵抽取河道或滩区的泥沙，输送到堤防背河侧，培厚大堤断面，延长渗径长度。本文针对黄河大堤存在的主要隐患类型进行模拟计算，分析其对黄河大堤的渗透稳定的影响，同时对放淤固堤的效果进行计算分析，得到了一些有用的结论。

2.渗流有限元计算的基本原理

求解大坝、堤防等问题的渗流场归结为：渗流符合达西定律，求解满足一定边界条件的拉普拉斯方程的解答（稳定流），即

式中：kx，ky，kz—沿 x,y,z方面的渗透系数；

H—点（x,y,z）的水头值。

对于平面问题，可以得到变量H的拉普拉斯方程：

一般情况下，渗透系数可看成均质的和各向同性的，所以，就得到：

此式在一定边界条件下，就有一组唯一的解。

3.实例计算

采用山东黄河的某一断面，经过实际检测考虑以下7种工况进行计算：（1）大堤质量完好，无裂缝和松散体；（2）大堤内存在松散体。根据检测，松散体在堤顶向下大概4.8～9.6m的范围内分布，考虑松散体贯通大堤1/2，认为松散体沿河向的范围较宽，按平面问题计算；（3）松散体在大堤内贯通 2/3；（4）在（3）的情况下，对背河侧采用放淤固堤措施进行加固，该工况取放淤宽度为80m。放淤的顶部取比临河设计水位高1m，坡度和大堤坡度相同；（5）放淤宽度取100m时的工况；（6）有孔洞存在时，放淤宽度取为80m；（7）有孔洞存在时，放淤宽度取为100m。

该断面的地质剖面图如图1、图2。

有限元计算范围考虑如下：在临河侧延伸约100m，背河侧延伸约110m，竖直方向取到大堤高度的3倍左右。剖分时按照地层分布进行。

上下游水位为：临河侧水位27.89m，背河侧水位24.76m。

图1 地质剖面图

图2 有限元网格图

计算结果如下：

4.结论

（1）由于松散体、孔洞等隐患的存在，使得堤身内水头的衰减集中在出渗点附近，出渗点位置升高，增大了出渗点的渗透比降，使得大堤的渗透稳定性趋于危险；

表1 各计算工况下的背河外坡出逸点高程、渗流量和最大渗透比降表

（2）由于土层的均匀性，出渗比降的分布也较均匀，都在溢出点附近集中，并达到最大；

（3）有松散体的情况下，背水侧进行放淤加固后，不仅降低了溢出点的高程，还使得浸润线和水头的分布更趋于平缓，有效地降低了大堤最大出渗比降；

（4）在孔洞存在的工况下，淤背的设置也能够降低溢出点的高程和大堤渗出的水量，在出渗点附近的最大渗透比降也能够降低很多，特别是在100m淤背的情况下效果更好。

所以，采用放淤固堤的方案对黄河大堤进行加固，能够有效降低大堤的最大渗透比降，减小渗漏量，提高大堤的渗透稳定性，是一种经济、方便又有效的黄河大堤加固措施。

2012-09-28