东苕溪仇山塘堤塘有限元分析

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摘 要：仇山塘堤塘位于东苕溪流域，防洪标准为二十年一遇。经典型断面渗流计算表明：采用套井等工程措施后，浸润线明显降低，各个渗透比降系数有所下降。经典型断面整体抗滑稳定计算表明，各种工况下安全系数均能满足规范规定要求。本文的计算方法可作为堤塘工程计算的参考。

关键词：堤塘，渗流，稳定，安全

1 工程概况

东苕溪水系属太湖流域，为浙江省水系之一。仇山塘堤塘加固工程位于杭州市余杭区长乐镇，是东苕溪防洪堤之一，是保护杭州市的重要防洪屏障。东苕溪流域地处亚热带季风气候区，温和湿润，四季分明，热量丰实，雨量充沛，多年平均降水量为1700mm～1250mm。本地区降水丰枯年际变幅及年内时空分布不均匀。仇山塘堤塘堤防级别4级，临时建筑物级别5级，防洪标准为二十年一遇。

堤塘迎水侧坡度均为1：2.0，背水侧坡度为1：2.5，坡脚沿堤顶往背水侧增设塘渣防汛通道，堤坡植草护坡。背水侧紧邻农田处防汛通道外侧均设浆砌块石挡墙，浆砌块石挡墙高度0.7～1.7m，邻池塘侧直接以1：2.0边坡塘渣回填，并间隔1m设置警示柱防护。防渗形式在淤泥质粘土段主要采用套井粘土填筑，在堤顶布置1排，套井直径1.2m，套井中心距0.85m，有效厚度0.85m。

2 工程安全系数

根据文献[1]要求，稳定安全系数取用正常运行条件下土堤抗滑稳定安全系数1.15，非常运行条件下土堤抗滑稳定安全系数1.05。堤顶超高根据文献[1]和[2]确定堤顶挡水高程取用值不小于设计洪水位+0.7m。

3 渗流稳定分析

渗流稳定计算采用渗流稳定有限元法，利用北京理正软件设计研究院开发的“理正渗流问题有限元分析系统”软件进行计算。

渗流有限元分析基本方程

式中：

[K]――透水系数矩阵；

{H}――总水头向量；

[M]――单元储水量矩阵；

{Q}――流量向量；

t ――时间。

计算模型选取桩号K0+810、K1+210和K1+610断面为渗透稳定分析计算典型断面。计算参数如表1。

软件计算考虑垂直和水平渗透系数相等，渗透角度为0度。计算工况按文献[1]二种组合进行计算：

①临水侧为设计洪水位，背水侧现状地坪作为背水侧低水位；

②洪水降落期即水位降落至2.5m常水位时对临水侧堤坡稳定最不利的情况。

塘堤身与堤基大部分都属于粘性土，渗透变形主要以流土为主，流土通常采用太沙基公式计算临界渗透坡降。

套井及粘土斜墙处理参数如下：粘土斜墙和套井渗透系数采用小于1×10-5cm/s，也即0.009m/d。考虑数据都较为接近，选取K0+810（套井断面）和K1+610（粘土斜墙断面）作为典型设计计算断面，结果为：

采用套井等工程措施后，浸润线明显降低，各个渗透比降系数有所下降，因此进行套井等防渗处理效果明显。

4 堤塘抗滑稳定现状计算

堤塘整体抗滑稳定计算采用瑞典圆弧法，利用北京理正软件设计研究院开发的“理正边坡稳定分析系统”软件进行计算。

根据沿线地形和地质分布情况，堤防抗滑稳定计算选取沿线5个地质特征断面作为计算典型断面。根据文献[1]以及本工程的运行情况，防洪堤抗滑稳定计算拟定了以下四种计算工况：

正常运用条件时的工况：

工况1：设计洪水位（P=20%）稳定渗流期背水侧堤坡稳定计算；

工况2：设计洪水位（P=20%）降落至2.5m水位临水侧堤坡稳定计算；

非常运用条件时的工况：

工况3：施工完建期迎水侧堤坡稳定计算

工况4：施工完建期背水侧堤坡稳定计算

根据四种计算工况，选取3个特征断面土层，结合设计情况，计算结果见表4。

由表1及图1至12可知，各特征断面堤塘设计整体抗滑稳定安全系数均能满足规范规定要求。

5 结 语

（1）仇山塘堤塘加固工程是保护杭州市的重要防洪屏障。堤塘堤防级别4级，临时建筑物级别5级。防洪标准为二十年一遇。

（2）经典型断面渗流计算，考虑套井等工程措施和原始状态，计算表明：采用套井等工程措施后，浸润线明显降低，各个渗透比降系数有所下降，因此进行套井等防渗处理效果明显。

（3）经典型断面整体抗滑稳定计算表明，并考虑池塘侧淤泥深度，防汛通道由于车辆的碾压，防汛通道背后有池塘位置时，容易产生滑坡，故对几个典型断面背水侧为池塘位置需进行抗滑计算。安全系数均能满足规范规定要求。

参考文献：

[1] 《堤防工程设计规范》（GB50286-98）.

[2] 《关于中、北苕溪10～20年一遇水位事项专题会议纪要》，余杭区林水局，2009.10。

作者简介：郑文智（1978.5～）男，浙江台州黄岩人，助理工程师，水利水电工程专业，主要从事水利工程管理工作。