錢塘江斜坡式海塘遭遇超強臺風滲流特性研究

嚴 斌，吳興龍，李樹巍

(浙江省錢塘江管理局，浙江 杭州 310016)

1 問題的提出

錢塘江河口地處我國東南沿海，由于特殊的地理位置和氣候條件，每年夏秋季節(jié)經(jīng)常會遭受臺風侵襲。錢塘江杭州灣在最近十幾年內(nèi)修筑了標準海塘，可以抵御設計標準內(nèi)的風暴潮，但由于錢塘江河口潮差大，在遭遇超強臺風期間，若天文大潮與臺風增水疊加形成的特高的超標準風暴潮，就有可能超過一線海塘高程，出現(xiàn)潮水滿溢，發(fā)生潮災，成為當?shù)氐闹饕匀粸暮χ弧?007年底，在浙江省人民政府部署下，浙江省水利廳和省防汛辦確定開展《錢塘江北岸海塘應對超標準風暴潮研究》項目，進行北岸海塘應對超標準風暴潮工程措施研究。

本文以北岸海塘為例，選取“9711”北線的風暴潮極限狀況進行海塘滲流特性分析。“9711”北線風暴潮水位過程線的確定以富春江“9711”臺風期間的過程流量作為臺風期不利流量，水位條件邊界條件設計方案采用2002年最大天文大潮水位過程線 (相當于年最高天文潮多年平均值，杭州灣內(nèi)各站天文潮分別為蘆潮港2.79m，乍浦3.94m，澉浦4.80m，鎮(zhèn)海2.27m)疊加臺風增水。工程區(qū)域“9711”水位過程線與一般水位 (2%水位)過程線相比，由于考慮增水等因素，相同時刻的水位比一般水位偏高，其漲落潮歷時相同 (見圖1)。

由于風暴潮潮水位隨時間變化，海塘堤壩內(nèi)將形成非穩(wěn)定滲流。在非穩(wěn)定滲流中，滲流自由面隨時間的變化而變化，滲流場的形狀和邊界條件也較復雜。利用有限元法求解飽和—非飽和滲流問題，國內(nèi)外已有不少研究成果。如美國的Neuman提出的有限單元法求解土壩飽和—非飽和滲流場的數(shù)值方法［1］，以及日本赤井浩一用相同理論進行了數(shù)值計算和模型驗證［2］，在國外研究的帶動下，國內(nèi)也出現(xiàn)了一些學者，如吳良驥也對滲流問題開展深入研究，且獲得了很多有價值的成果［3］。而國內(nèi)對于錢塘江兩岸的海塘在超標準風暴潮下水位驟升驟降工況下滲流形態(tài)的研究較少，為此作者選取典型斜坡式海塘斷面，建立二維滲流有限元數(shù)值模型，對該斷面在“9711”超強臺風風暴潮過程進行滲流場模擬分析，為以后對錢塘江南、北岸兩岸各種斷面型式的海塘在遭遇其他強臺風等惡劣工況下的滲流形態(tài)研究具有一定的意義。

圖1 “9711”水位過程線與一般水位過程線圖

2 有限元模型

2.1 模型的建立

作者應用GeoStudio有限元計算軟件中SEEP模塊對超強臺風和一般潮位作用下的非穩(wěn)定滲流過程進行模擬分析。

錢塘江北岸某段均質(zhì)斜坡海塘塘頂高程8.80m(1985國家高程基準，下同)，頂寬7m。本模型模擬“9711”超強臺風下一個漲落潮歷時海塘土體內(nèi)浸潤線的變化，根據(jù)圖1的潮位過程線，初始漲潮水位為0.20m，最高潮位為7.87m，最低潮位為-1.25m，后坡常水位考慮臺風期降雨影響，取地面高程以下0.50m。因海塘斷面結(jié)構(gòu)材料較多，為減少模型參數(shù)輸入數(shù)據(jù)，也為了減少網(wǎng)格剖分的難度，對于迎水面透水性較大護面結(jié)構(gòu)按照全透水考慮，背水坡的一級斜坡段以及平臺上細部結(jié)構(gòu)不再細分，統(tǒng)一并入塘身填土。本滲流計算模塊有CAD導入建模功能，但對CAD內(nèi)圖形要求較高，由于海塘結(jié)構(gòu)較復雜，里面線型較多，部分區(qū)域網(wǎng)格需手動劃分。整體模型中，海塘計算斷面被劃分成3個主要不同的區(qū)域:①塘身吹填土，滲透系數(shù)取4.9×10-3cm/s;②塘身充泥管帶，滲透系數(shù)取4.0×10-3cm/s;③迎水坡拋石滲透系數(shù)取7.0×10-2cm/s。地基土層主要分為3個地質(zhì)亞層:③-1層為淤泥質(zhì)黏土，灰色，流塑，飽和，高壓縮性，全場分布，層厚0.9～15.7m;③-1層為粉質(zhì)黏土夾粉土，灰色，流塑，飽和，局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層厚1.5～8.1m;③-5層為淤泥質(zhì)黏土，灰色，流塑，飽和，低壓縮性，層厚7.5m。滲流有限元模型見圖3。

圖2 均質(zhì)斜坡海塘結(jié)構(gòu)圖 (為1985國家高程基準) 單位:m

圖3 海塘有限元模型圖

2.2 計算結(jié)果及分析

非穩(wěn)定滲流計算假設在水位上升前已經(jīng)形成穩(wěn)定的滲流場，按照“9711”超強臺風潮型一個驟升和驟降情況考慮。根據(jù)潮位過程線，水位上升速度約為1.54m/h，水位下降速度約為1.13m/h。初始外江水位為-1.20m，海塘自由面和等勢線見圖4。根據(jù)圖5，1～4號曲線為外江水位上升之后的浸潤線，其不同時刻壩體的瞬態(tài)浸潤線位置，代表水位分別為1.61，4.46，7.07，7.87m。5、6、7號曲線表示外江水位開始下降后4個不同時刻壩體的瞬態(tài)浸潤線位置，代表水位分別為5.89，2.98，0.75m。

圖4 初始自由面和等勢線圖 單位:kPa

根據(jù)圖5，1～4號曲線為漲潮過程，由于潮水達到最高潮位時間較短，曲線靠近外江側(cè)，外凹明顯，且線型較陡，靠臨水坡面處浸潤線急劇抬高，而距臨水坡較遠處滲流場無明顯變化，尤其是海塘中、后部，浸潤線有輕微抬高，后坡土體內(nèi)的浸潤線基本上為一坡度較緩的斜線。圖5中，5、6、7號曲線表示外江水位開始下降時的浸潤線，臨水面一側(cè)，水位下降之后，曲線起點位置，下探明顯，呈一向下的拋物線型，坡度變緩，臨水坡較遠處的滲流場由于受略低潮位的穩(wěn)定影響，塘身中間土體達到飽和，外部水體慢慢滲入海塘后坡，內(nèi)部浸潤線會稍稍向上拱起。海塘后坡位置浸潤線下降有一定的滯后，線形基本保持直線不變。圖6和圖7分別為2%高潮位下非穩(wěn)定滲流和穩(wěn)定滲流計算結(jié)果，后者浸潤線曲線較飽滿，后坡二級平臺位置以下浸潤線線上各點高程相較于不穩(wěn)定滲流偏高，這是由于高水位的持續(xù)作用下，潮水已經(jīng)滲入后坡大部分土體，呈拋物線型布置。2%潮位下各時刻非穩(wěn)定滲流浸潤線變化規(guī)律與超強臺風條件下基本相同，海塘迎水側(cè)及附近塘身土體內(nèi)浸潤線后者偏高，特別是越靠近外海側(cè)，高差越明顯。圖7為2種不同高潮位工況下相同的漲落潮時刻的后坡浸潤線圖，起點為一級護坡坡腳處，浸潤線轉(zhuǎn)折點為沖泥管帶和吹填土交界處，沖泥管帶內(nèi)各時刻浸潤線基本重合。起點處2種工況下同一時刻浸潤線高差為0.2～0.5m，海塘后坡部分浸潤線隨潮水變化并無太大改變，說明超強臺風情況下對后坡滲流影響較小。

圖8為一穩(wěn)定滲流場，基本上為一條折線。在初始水位作用下，外江潮水滲入塘身土體距離較遠，而且浸潤線下降坡度很緩，說明在持續(xù)水位的影響下，塘身水位以下的土體飽和度較高。

圖5 各時刻海塘瞬態(tài)浸潤線位置圖(“9711”工況)

圖6 各時刻海塘瞬態(tài)浸潤線位置圖 (2%水位工況)

圖7 各特征時刻后坡瞬態(tài)浸潤線圖(“9711”與2%水位工況) 單位:m

圖8 2%設計高潮位穩(wěn)定滲流壓力水頭線圖單位:kPa

綜上所述，在潮水位陡升降的情況下，以0.5個潮流歷時為例，當漲潮時，即由平均潮位上升到最高潮位，一般高潮位下浸潤線為半拋物線型，達到較高潮位下為“C”型曲線。在落潮流工況下，迎水坡浸潤線下探明顯，大部分為向下開口的半拋物線型。而相對于迎水坡，背水坡土體內(nèi)的浸潤線并沒有前者反映那么強烈，變化幅度不大。

所以，在對杭州灣潮水位升降情況下斜坡海塘內(nèi)滲流場分布的情況進行分析時，若采用穩(wěn)定滲流分析，海塘內(nèi)部浸潤線較高，海塘大部分填土土體飽和，土體整體物理力學性質(zhì)降低，特別是水位突然降低到低水位，迎水坡很容易引起滑塌，對海塘迎水坡整體穩(wěn)定不利。而非穩(wěn)定滲流條件下，浸潤線以堤軸線為分界線，由于其高潮位持續(xù)時間較短，迎水坡土體內(nèi)未全部達到飽和，塘身及其后坡土體均基本未遭潮水侵入，水位驟降時迎水坡整體穩(wěn)定系數(shù)較前者高。不同工況下后坡土體內(nèi)非穩(wěn)定滲流浸潤線基本相同，受漲落潮歷時影響較小。結(jié)合錢塘江兩岸海塘主要受潮水影響較大，高潮水位持續(xù)作用時間較短，應采用非穩(wěn)定滲流有限元方法分析海塘滲流情況，可使工程設計方案更加符合設計工況。以上述工程為例，在不降低海塘整體穩(wěn)定安全系數(shù)的情況下，可以降低塘身迎水坡一、二級平臺的高度和長度，最外側(cè)的拋石潛壩也可以縮小結(jié)構(gòu)斷面。

3 結(jié)語

本文借助于非穩(wěn)定滲流有限元計算分析，對在超標準風暴潮工況下水位升降時的均質(zhì)斜坡海塘瞬態(tài)滲流場的模擬進行了研究。其結(jié)論如下:

(1)海塘在超強臺風和一般高潮位非穩(wěn)定滲流作用下，后坡的浸潤線較低，其浸潤線受漲落潮歷時變化較小，2種工況下浸潤線基本一致。穩(wěn)定滲流作用下，塘身土體大部分飽和，浸潤線較高，計算結(jié)果偏于保守。所以進行海塘設計時，可綜合考慮上述因素，進一步優(yōu)化塘身結(jié)構(gòu)，控制工程造價。

(2)在一個漲落潮情況下，海塘迎水坡及其附近塘身土體內(nèi)浸潤線變化大，特別是迎水坡變化劇烈，不同高潮位2種工況下同一時刻的浸潤線高差相差較大，而背水坡浸潤線基本維持在后坡常水位位置。

(3)超強臺風工況下，由于高水位持續(xù)時間短，其背水坡浸潤線與一般高潮位工況相比變化不大，對背水坡的整體穩(wěn)定影響很小。而對迎水坡，不同高潮位工況下，其驟降浸潤線不同，需分別計算對堤坡穩(wěn)定的影響。

［1］龔道勇.三維非穩(wěn)定飽和—非飽和滲流場的有限元分析和應用［D］.南京:河海大學，2002:1-3.

［2］朱岳明，龔道勇.三維飽和—非飽和滲流場求解及其逸出面邊界條件處理［J］.水科學進展，2003，14(1):67-68.

［3］吳良驥，G.L.Bloomaburg.飽和—非飽和區(qū)中的滲流問題的數(shù)值模型［J］.水利水運科學研究，1985，2(1):1-10.