（水利工程專業(yè)論文）海河干流治理工程吹填土筑堤研究.pdf

摘要 將吹填工藝用于港口、水利工程已相當(dāng)普遍，如吹填造陸、吹填固堤等。但 采用吹填工藝將河道新近沉積土搬運(yùn)上來(lái)后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自然固結(jié)，再將此 土用于常規(guī)碾壓填筑堤防卻未見報(bào)道。吹填土有其自身的特性，將其用于堤防填 筑要滿足施工要求，同時(shí)堤防在各種工況下應(yīng)滿足安全穩(wěn)定性要求和滲流穩(wěn)定性 要求。天津市海河千流治理工程試驗(yàn)段堤防中成功地實(shí)現(xiàn)了吹填土堤防的填筑。 本文結(jié)合海河干流治理工程中吹填土筑堤試驗(yàn)段實(shí)際情況，對(duì)吹填土筑堤的 可行性、堤防安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 ( 1 ) 對(duì)吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，為設(shè)計(jì)研究提供了依據(jù)。 ( 2 ) 采用了近似公式計(jì)算法、有限元程序分析法，對(duì)吹填土堤防做了滲流 分析計(jì)算，并結(jié)合吹填土滲透破壞模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該堤防的滲透穩(wěn)定性做了評(píng) 價(jià)。 ( 3 ) 采用瑞典圓弧滑動(dòng)法，計(jì)算了堤防斷面在各種運(yùn)用工況下的抗滑穩(wěn)定 安全系數(shù)，對(duì)堤防整體穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)。 ( 4 ) 應(yīng)用大型通用a n s y s 有限元結(jié)構(gòu)分析軟件中的d r u c h e r - p r a g e r 本構(gòu)關(guān) 系彈塑性模型，對(duì)堤防的沉降、變形及應(yīng)力水平進(jìn)行了分析，從應(yīng)力一應(yīng)變角度 評(píng)價(jià)了堤防的安全性。 ( 5 ) 對(duì)堤防進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)，驗(yàn)證了沉降計(jì)算結(jié)果。 通過(guò)計(jì)算分析及工程運(yùn)轉(zhuǎn)中實(shí)際觀測(cè)分析表明，在海河干流治理工程中，用 吹填土成功地筑成了試驗(yàn)堤段。其為堤防工程修筑提供了一個(gè)新的方法，在土地 資源緊張、注重環(huán)境保護(hù)的當(dāng)今形勢(shì)下，該方法具有很高的性價(jià)比，值得推廣應(yīng) 用。 關(guān)鍵詞：吹填土；堤防工程；滲流：穩(wěn)定性；沉降觀測(cè) a b s t r a c t i t i sv e r yc o m m o nt h a tt h eh y d r a u l i cf i l lt e c h n i q u ei su s e di nh a r b o ra n d b y d r a u l i ce n g i n e e r i n g s ，s u c ha sm a k i n gl a n d sa n dr e i n f o r c i n gl e v e e s b u ti th a sn o t b e e nr e p o r t e dp r e v i o u s l yt h a tt h en e ws e d i m e n te a r t hi nr i v e rw a sc a r r i e du pw i t ht h e t e c h n i q u e ，t h e nu s e di nl e v e ec o n s t r u c t i o nw i t hg e n e r a lr o l l i n gm e t h o da f t e rap e r i o d o fn a t u r a lc o n s t r u c t i o n 1 1 1 eh y d r a u l i cf i l le a r t hh a su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s a n dm u s t m e e tt h en e e d so ft h ec o n s t r u c t i o nw h e nt i l ee a r t hi su s e di nl e v e ec o n s t r u c t i o n a n d t h ec o n s t r u c t e dl e v e em u s ta l s om e e tt h en e e d so ft h es e c u r i t ya n ds e e p a g es t a b i l i t yi n v a r i o u sc o n d i t i o n s t h eh y d r a u l i cf i l le a r t hl e v e ec o n s t r u c t i o nh a db e e ns u c c e s s f u l l y r e a l i z e di nt e s tl e v e e s e g m e n t so ft i a n j i nh a r n e s s i n gp r o j e c tf o rh a l h e r i v e r m a i n s t r e a r n i nt h i st h e s i s ，t h ef e a s i b i l i t ya n ds e c u r i t yo ft h el e v e ec o n s t r u c t i o n sw i t ht h e h y d r a u l i cf i l le a r t hw e r ee v a l u a t e di nc o m b i n a t i o nw i t ht h e a c t u a lc o n d i t i o n so ft h e t e s tl e v e es e g m e n t si nt h ep r o j e c t ( 1 ) t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eh y d r a u l i cf i l le a r t hw e r e a n a l y z e ds t a t i s t i c a l l y , w h i c hp r o v i d e st h eb a s i sf o rd e s i g nr e s e a r c h ( 2 ) t h es e e p a g ea n a l y s i sc a l c u l a t i o nt ot h eh y d r a u l i cf i l le a r t hl e v e e sw e r ed o n e b yu s i n ga p p r o x i m a t ef o r m u l aa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d s ，a n dt h es e e p a g es t a b i l i t y f o rt h el e v e e si nc o m b i n a t i o nw i t ht h er e s u l to ft h ed e s t r u c t i v e n e s sm o d e lt e s to ft h e h y d r a u l i cf i l le a r t hs e e p a g e ( 3 ) t h er e s i s t a n ts l i d i n gs a f e t yf a c t o r sf o rt h el e v e e si nv a r i o u sc o n d i t i o n sw e r e c a l c u l a t e dw i t ht h es w e d e na r cs l i d i n gm e t h o d ，a n dt h ew h o l es t a b i l i t yo ft h el e v e e s w a se v a l u a t e d ( 4 ) t h es e t t l e m e n t ，d e f o r m a t i o na n ds t r e s sl e v e l sf o rt h el e v e e sw e r ea n a l y z e d w i t l lt h ed r u c h e r - p r a g e re l e s t o - p l a sm o d e li nt h ea n s y sf e ms o f t w a r e ( 5 ) t h es e t t l e m e n t so f t h el e v e e sw e r eo b s e r v e de x p e r i m e n t a l l y t h ec a l c u l a t i o na n a l y s i sa n da c t u a lo b s e r v a t i o ns h o wt h a tt h et e s tl e v e es e g m e n t s a r es u c c e s s f u l l yc o n s t r u c t e di nt h eh a r n e s s i n gp r o j e c tf o rh a i h er i v e rm a i n s t r e a m ， w h i c hp r o v i d e san e wm e t h o df o rt h el e v e ec o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g t h em e t h o dh a s av e r yh i g l lp r o p e r t yt op r i c er a t i ou n d e rt h e s i t u a t i o no fl a c k i n gs o i lr e s o u r c ea n d e m p h a s i z i n ge n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nt o d a y , a n di t sw o r t hw h i l et os p r e a da n da p p l y k e yw o r d s ：h y d r a u l i cf i l le a r t h ；l e v e ee n g i n e e r i n g ；s e e p a g e ；s t a b i l i t y ；s e t t l e m e n to b s e r v a t i o n 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得墨壅盤堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書 而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均在論文中作了 明確的說(shuō)明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：喜串莎斃簽字日期：刎年，2 月加日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解叁鲞盤莖有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授 權(quán)墨生盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，并采 用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó)家有 關(guān)部門或機(jī)構(gòu)交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明) 導(dǎo)師簽名： 簽字日期汐乒年但月抽日 第一章緒論 1 1 問(wèn)題的提出 第一章緒論 我國(guó)平原地區(qū)河流均建有堤防。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2 0 0 1 年全國(guó)己建堤防總長(zhǎng)達(dá)2 5 萬(wàn)多公里。由于河流蘊(yùn)含著人們賴以生存的水資源，故河流兩岸往往人口密集， 人均占有土地資源量較少。然而，作為防洪屏障的堤防卻需要大量的土方來(lái)填筑。 堤防工程一方面保護(hù)了水資源，防止了洪水對(duì)兩岸人民生命、財(cái)產(chǎn)的威脅，另一 方面卻又占有了極其珍貴的土地資源。實(shí)現(xiàn)防洪效益的同時(shí)，盡量減小對(duì)土地資 源的破壞，降低工程成本，是河道治理工程中急需解決的問(wèn)題。 在1 9 9 8 2 0 0 0 年進(jìn)行的天津市海河干流治理工程中上述矛盾較為突出。海 河干流起于子牙河與北運(yùn)河的交匯處，流經(jīng)天津市區(qū)、東麗區(qū)、津南區(qū)、塘沽郊 區(qū)及塘沽市區(qū)，匯入渤海灣，全長(zhǎng)7 3 4 5 k m ，其中郊區(qū)段長(zhǎng)4 9 6 k m 。設(shè)計(jì)行洪流 量為8 0 0 m 3 s 。郊區(qū)段堤防型式為均質(zhì)土提，需要筑堤土方6 0 0 萬(wàn)m 3 ，征地取土 地面積6 0 0 0 畝。然而，海河兩岸人口密集，人均占有耕地不足l 畝，征地費(fèi)較 高，土料到工地價(jià)約2 0 元m 3 ，土料費(fèi)占工程造價(jià)的5 0 以上。另一方面，征地 補(bǔ)償費(fèi)相對(duì)農(nóng)民的土地耕種收益很低，實(shí)施征地又相當(dāng)困難。 為了降低工程造價(jià)，減小取土對(duì)土地的破壞，設(shè)計(jì)人員構(gòu)想將海河河道中淤 積土用于堤防填筑。如果該方案可行，則可以大大降低對(duì)土地資源的占有，加大 河道行洪能力，有利于河道疏浚，降低工程造價(jià)。為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想，設(shè)計(jì)人員 于1 9 9 7 1 9 9 8 年分別在東麗區(qū)、塘沽郊區(qū)選擇了幾個(gè)合適的位置進(jìn)行試驗(yàn)。其 方式為使用絞吸式泥漿泵將河道淤積土吸上來(lái)，通過(guò)輸泥管道輸送到原有河道堤 岸后吹填池內(nèi)。待吹填土固結(jié)l 2 年后，再用此吹填土筑堤。 設(shè)計(jì)單位經(jīng)過(guò)大量的地質(zhì)勘察，取得了豐富的第一手資料，于1 9 9 9 2 0 0 0 年完成了吹填土堤防填筑作業(yè)，并進(jìn)行了后續(xù)工程沉降觀測(cè)。 1 2 國(guó)內(nèi)外進(jìn)展情況 1 2 _ 1 吹填土加固技術(shù)進(jìn)展 “吹填”又稱“水力沖填”，其工藝流程是采用水力機(jī)械在料場(chǎng)挖土，將土 料攪成泥漿，用壓力管道輸送至作業(yè)面，在作業(yè)面上完成沉積與淤填。吹填土的 工程力學(xué)性質(zhì)較差，吹填土作為工程建設(shè)的地基時(shí)一般需要加固處理。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，近年來(lái)填海造陸工程成為沿海工程建設(shè)中的重要 組成都分。填海造陸多采用吹填法，因而吹填土地基的加固技術(shù)得到了空前發(fā)展。 第一章 緒論 填海造陸工程在國(guó)內(nèi)外都已取得了一定的成績(jī)，形成相應(yīng)的巖土工程實(shí)驗(yàn)、治理、 施工等規(guī)程。吹填材料最理想的是中粗砂，然而很多地方由于砂源緊缺和建設(shè)深 港口的需要，不得不采用近海新近沉積的海底軟土( 粘性土) 作為吹填料。而該 軟土在吹填之后需要經(jīng)2 3 年的自然沉積固結(jié)，待表面形成硬殼，方可加固處 理。在軟土地基處理工程技術(shù)方面近年來(lái)發(fā)展迅速，以張誠(chéng)厚、劉祖德等為代表 的研究者對(duì)吹填地基加固如堆載預(yù)壓、粉噴樁、夯擴(kuò)樁、深層攪拌樁、真空預(yù)壓 等方面進(jìn)行了行之有效的研究。但由于受工程條件限制，這種造陸方式在時(shí)間和 財(cái)力上的耗費(fèi)都很大。如天津乙烯工程，吹填面積達(dá)1 0 k m 2 ，可行性報(bào)告擬采用 上述方法加固，造價(jià)達(dá)2 6 8 元m 2 ，工期需3 年或更久，政府及國(guó)外投資方均表 示難以承受。國(guó)內(nèi)外類似的大型工程還有黃驊港、深圳鹽田港、青島前彎港、天 津新港、日本大阪港等工程。如何能找到一種更合理、更經(jīng)濟(jì)的加固技術(shù)，在吹 填的同時(shí)就進(jìn)行加固，使吹填土盡快地從泥漿狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ǔ休d力的地 基，將對(duì)圍海造陸工程建設(shè)帶來(lái)巨大益處。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都在致力于把這一設(shè) 想付諸實(shí)踐，如2 0 世紀(jì)7 0 年代后期，日本大阪港采用塑料排水板與真空降水相 結(jié)合的方法，取得了理想的效果1 1 】；國(guó)內(nèi)張誠(chéng)厚等于8 0 年代末在連云港采用類似 方法加固吹填土取得了成功【2 j 。用這種方法加固吹填土已邁出了一大步。 但在吹填土的加固機(jī)理研究方面，多采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，著眼于吹填土宏觀力學(xué) 表現(xiàn)，并通過(guò)先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，進(jìn)行信息的采集、反饋和調(diào)控，以滿足設(shè)計(jì) 要求。對(duì)吹填土在復(fù)雜條件下內(nèi)部排水和強(qiáng)度變化的機(jī)制所做研究不足，存在著 理論落后于實(shí)際的技術(shù)現(xiàn)象，其中最突出的有以下兩個(gè)問(wèn)題【3 l ： ( 1 ) 在理論上，對(duì)吹填土排水及強(qiáng)度的本質(zhì)研究不夠。對(duì)吹填土排水及強(qiáng) 度的研究只能依靠“黑箱”理論只研究土樣在插入排水板后，求得的實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)如何，不討論形成該數(shù)據(jù)的機(jī)理所在。由該實(shí)驗(yàn)建立排水與強(qiáng)度的關(guān)系模型， 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，雖然能滿足生產(chǎn)的一般需要，但土中的排水效應(yīng)被間接地模 擬，即模型不是通過(guò)物理性質(zhì)來(lái)解釋的。因此，在生產(chǎn)實(shí)際中，土體加固理論只 能采用物理方法，不能上升到理論的認(rèn)識(shí)高度，這樣就給生產(chǎn)上一些較大的工程 帶來(lái)了一定的盲目性和隨機(jī)性，導(dǎo)致吹填土加固的理論計(jì)算與實(shí)際偏差較大。 ( 2 ) 在實(shí)際應(yīng)用上，塑料排水板與真空降水相結(jié)合的方法在應(yīng)用上與工程 要求還有一定的差距。例如，在吹填土中打設(shè)塑料排水板還需要相當(dāng)長(zhǎng)的沉淀時(shí) 間，這無(wú)疑要延長(zhǎng)工期；地基內(nèi)如夾有排水砂層，真空降水的密封性不夠，將會(huì) 大大降低加固效果。 第一章緒論 1 _ 2 2 吹填筑堤技術(shù)進(jìn)展 土料吹填筑堤，即在擬筑堤處修建圍堰，用吹填方法將土料分層淤固形成堤 防。此種方法要求的堤防斷面大，土料為非粘性土或少粘性土，施工后做斷面的 穩(wěn)定性校核計(jì)算，必要時(shí)做修正斷面設(shè)計(jì)【4 】。此種筑堤方法比較成熟，已寫進(jìn)堤 防工程施工規(guī)范s l 2 6 0 9 8 。例如在黃河下游堤防加固工程中大量采用了淤填固 堤技術(shù)。 編織布袋充填砂土筑堤是吹填筑堤的另一較為成功的方法，將砂土分層吹填 進(jìn)編制布袋中，兩側(cè)邊坡做防護(hù)，視情況再做防滲處理。如上海石洞口電廠儲(chǔ)灰 場(chǎng)灰壩及上海寶鋼陳行水庫(kù)等都采用了上述筑堤方法。 上述兩種吹填筑堤方法技術(shù)簡(jiǎn)單，工程造價(jià)低，但適用性受到限制，需要有 可靠的砂源，較大的施工場(chǎng)地。 將軟土地基加固中的抽真空預(yù)壓固結(jié)法用于吹填筑堤是新近提出的一種吹 填筑堤方法。2 0 0 1 年在天津市海擋加固工程中，天津市水利科學(xué)研究所做了吹填 真空預(yù)壓筑堤原型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)將新近沉積的海灘淤泥作為吹填土料，分層吹填、 分層抽真空預(yù)壓，使吹填土在短時(shí)間內(nèi)固結(jié)。但該工藝繁瑣，且由吹填的要求造 成堤防斷面較大，土方量大，工程占地也較大。堤防斷面由吹填土真空預(yù)壓形成， 堤防土體密實(shí)度不高，筑堤后的沉降量較大。該工藝堤防延米工程造價(jià)約l 萬(wàn)元， 比一般均質(zhì)土堤高近1 倍，經(jīng)濟(jì)效益較差。 在國(guó)內(nèi)外，堤防型式主要為土堤、石堤、土石結(jié)合堤，在國(guó)外也發(fā)現(xiàn)有灰土 堤、鋼渣堤等少有堤型，都體現(xiàn)了堤防工程設(shè)計(jì)中的因地制宜、就地取材的主導(dǎo) 思想。在土地資源緊張，堤防斷面不能過(guò)大，又沒(méi)有合適的非粘性吹填土料的情 況下，將河道中的新近淤積土吹填上來(lái)，經(jīng)過(guò)短期的自然固結(jié)，然后做簡(jiǎn)單的翻 曬處理，再用于筑堤則是一個(gè)很好的構(gòu)想。 1 3 本課題所做工作 本文結(jié)合海河干流治理工程吹填土筑堤試驗(yàn)段實(shí)際情況，對(duì)吹填土筑堤設(shè)計(jì) 典型斷面進(jìn)行了安全復(fù)核計(jì)算，所做的工作有如下幾個(gè)方面： ( 1 ) 海河干流吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)分析。由于吹填土源的不同，吹填土 的性質(zhì)變化較大，對(duì)天滓市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院所做的地質(zhì)勘奄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)。 ( 2 ) 滲流分析。本文采用了堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范中的公式近似計(jì)算法和滲流 有限元法，對(duì)堤防典型斷面進(jìn)行了滲流分析計(jì)算。進(jìn)行吹填土滲透破壞模型試驗(yàn)， 研究吹填土堤防斷面是否滿足滲流穩(wěn)定要求。 第一章緒論 ( 3 ) 堤防整體穩(wěn)定分析。本文采用瑞典圓弧滑動(dòng)法，計(jì)算了堤防典型斷面 在各種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。 ( 4 ) 變形分析。使用a n s y s 通用大型有限元軟件，采用d r u c h e r - p r a g e r 模 型，對(duì)堤防斷面的沉降、位移及應(yīng)力水平進(jìn)行了分析。 ( 5 ) 沉降觀測(cè)。試驗(yàn)段工程完工，間隔一定時(shí)間后觀測(cè)堤頂沉降量。實(shí)測(cè) 沉降量與計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比，從而驗(yàn)證了沉降計(jì)算分析的可靠性。 通過(guò)上述工作，可以判斷海河干流吹填土是否滿足筑堤要求，判斷擬定斷面 是否滿足滲透穩(wěn)定性及邊坡的抗滑穩(wěn)定性要求，從而對(duì)吹填土堤防的可行性及安 全性做出綜合評(píng)定。 第二章海河干流吹填土筑堤工程概況 第二章海河干流吹填土筑堤工程概況 2 1 海河干流治理工程吹填試驗(yàn)段概況 海河干流為天津市重要行洪河道，由于近年河道及河口淤積及地面下沉，使 河道行洪能力大為減弱，河道的實(shí)際泄洪能力現(xiàn)只有2 5 0 3 0 0 m 3 s 。海河干流治 理工程始于1 9 9 7 年，于2 0 0 0 年完工。治理內(nèi)容包括堤防加固、河口清淤及穿堤 建筑物加固改造等：治理后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)為河道設(shè)計(jì)行洪能力8 0 0 m 3 s ，工程等別為 i i 等，堤防及穿堤建筑物級(jí)別，市區(qū)段為2 級(jí)，郊區(qū)段為3 級(jí)。河道正常水位2 5 m ( 大沽高程，下同) ，設(shè)計(jì)洪水位5 0 7 3 8 5 m ，堤頂高程6 3 2 5 3 2 m ，設(shè)計(jì)堤 頂寬6 m 。 由于堤防工程需要大量土方，且就近取土困難，設(shè)計(jì)單位結(jié)合原海河堤后及 河道灘地實(shí)際地形，選擇適合堤段在原堤后洼地、坑塘進(jìn)行了吹填。一方面做到 對(duì)堤基填塘加固，另一方面可利用剩余吹填土進(jìn)行堤防填筑。吹填段見表2 1 ， 吹填工程位置見附圖。 表2 - 1 設(shè)計(jì)吹填段一覽表 2 2 吹填施工工藝 施工機(jī)械由絞吸式泥漿泵輸泥系統(tǒng)和配電系統(tǒng)組成。前者包括絞吸泥漿泵、 浮體、輸泥管。后者包括發(fā)電機(jī)組、配電箱和防水電纜。吹填工藝流程見圖2 1 。 吹填施工過(guò)程為先對(duì)沉淀池清基、修沉淀池圍堰，圍堰材料用沉淀池的清基 土，內(nèi)側(cè)邊坡鋪一層過(guò)濾型土工布。圍堰外側(cè)挖一道排水溝，沉淀池滲水由排水 溝排出。吹填池間隔5 0 8 0 m 設(shè)一道橫向圍堰。圍堰頂溢水口與進(jìn)泥口相距2 0 0 m 以上。泥漿泵通過(guò)輸泥管將從河道水下絞吸上來(lái)的泥漿輸送到沉淀池，泥漿沉淀 后，不易沉淀的懸浮顆粒及水從圍堰頂溢流口排出。泥漿泵連續(xù)向沉淀池內(nèi)輸送 泥漿，直到淤積泥漿的達(dá)到距離圍堰頂0 2 m 左右停止輸送泥漿，移至下一池吹 第二章海河于流吹填土筑堤工程概況 填。待前一池固結(jié)1 0 天后再吹填第二層，使吹填作業(yè)循環(huán)進(jìn)行，直至達(dá)到設(shè)計(jì) 吹填高程。 廠_ 1 土料場(chǎng)勘探h 確定吹填土料1 匠巫一 l 匱受匾蛩_ 蓮墮亙 僮垂豳 泥漿泵絞吸泥土j 吹填池l h 廠一l 一l 【 匣擊麗卜一掣劃i 辛幽墜匾】壓力管道輸送卜一 一j 卜2 2 2 一結(jié)束】 困豇j 圖2 - 1吹填工藝流程圖 在吹填施工中，往往會(huì)出現(xiàn)輸泥管出口的近端粗顆粒比較集中，遠(yuǎn)離出泥口 端的細(xì)顆粒比較集中，而且沿池深方向泥漿中的土顆粒由于受重力作用的影響而 沉淀，形成上面土顆粒較細(xì)，下面顆粒較粗的自然分離狀態(tài)。從現(xiàn)場(chǎng)開挖實(shí)驗(yàn)中， 可明顯見到厚薄不等的粘性土夾層，一般厚度3 c m ，而且分布不均。這種現(xiàn)象需 通過(guò)移動(dòng)輸泥管出口位置加以控制，輸泥管口日移動(dòng)2 3 次。 吹填工藝為水力機(jī)械化土方施工，以模擬自然界水流沖刷原理借助于水的作 用來(lái)進(jìn)行挖土、輸土、填土。吹填施工不受天氣影響，在一般的土質(zhì)情況下，輸 送距離2 0 0 m 以內(nèi)，揚(yáng)程l o m 以下，每臺(tái)班可完成吹填土方1 0 0 2 0 0 m 3 ，工效 較高。 2 3 吹填土筑堤設(shè)計(jì)斷面 吹填土筑堤典型斷面型式見圖2 2 。 各吹填段均在海河干流下游段，相距較近，河道設(shè)計(jì)洪水位3 8 4 3 8 0 m ， 堤頂高程5 9 4 5 9 0 m 。原有堤防為歷年防洪搶險(xiǎn)加固而成。經(jīng)勘查分析，其堤 身土質(zhì)量基本滿足堤防設(shè)計(jì)要求，其堤頂高程及堤寬均不滿足防洪要求，臨河側(cè) 原有漿砌石護(hù)岸可以利用。設(shè)計(jì)斷面利用原有堤防做前戧，復(fù)土堤，前后邊坡坡 比1 ：2 5 ，堤頂寬6 m ?？紤]吹填土抗雨淋能力低，并結(jié)合環(huán)境綠化及水土保持的 要求，兩側(cè)堤坡做種植草皮防護(hù)。原有漿砌石墻護(hù)岸前做拋石防護(hù)。 原堤后吹填土堤基經(jīng)自然固結(jié)，表面形成了縱橫交錯(cuò)的裂隙。為切斷此滲漏 通道，吹填土表層8 0 c m 厚采取換基處理。下部吹填土雖處于欠固結(jié)狀態(tài)、含水 量大、壓縮性高、承載力低，但由于堤防高度不大，堤基附加應(yīng)力不大。經(jīng)計(jì)算， 第二章海河干流吹填土筑堤工程概況 若下部吹填土不做加固處理，復(fù)堤后堤基不會(huì)被破壞。故下部吹填土堤基不再做 加固處理。 上部堤身填筑土采用吹填土。土料經(jīng)過(guò)翻曬處理后，分層碾壓填筑。控制壓 實(shí)度不小于o 9 0 。施工預(yù)留沉降超高按堤高的5 計(jì)算。 經(jīng)過(guò)1 年1 年半的自然固結(jié)，各吹填段分別在1 9 9 9 年2 0 0 0 年完成了堤 防填筑。 2 4 吹填土堤防經(jīng)濟(jì)效益 按2 0 0 0 年物價(jià)指標(biāo)計(jì)算，經(jīng)過(guò)1 年自然固結(jié)后的吹填土方成本單價(jià)為8 元m 3 ，土料翻曬及筑堤碾壓造價(jià)為1 0 元m 3 。綜合計(jì)算，吹填土堤防延米工程造 價(jià)為2 1 0 0 元m 。常規(guī)征地取土，土方單價(jià)為2 1 元m 3 ，延米工程造價(jià)為2 9 7 0 元 m 。海河干流吹填土筑堤試驗(yàn)段工程直接投資1 5 9 6 萬(wàn)元，比常規(guī)征地取土筑堤 節(jié)約投資6 6 1 萬(wàn)元。用河道吹填土筑堤具有明顯的直接經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，吹填土 筑堤減少了土地征用，節(jié)省了土地資源，保護(hù)了環(huán)境，而且有利于河道疏浚，其 效益顯著。 第二章海河干流吹填土筑堤工程概況 8 匝阻炻副球#秘驊搭刊翳瞽 n - 乙囤 第三章海河干流吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)分析 第三章海河干流吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)分析 3 1 吹填料場(chǎng)地層分布特征 吹填土料場(chǎng)位于堤腳外4 0 m 的水下灘地。料場(chǎng)揭露地層均為第四系全新統(tǒng)地 層，土壤類別及性質(zhì)自上而下分布如下： ( 1 ) 淤泥，普遍分布于河底，厚度o 6 1 1 m ，深灰色，流塑狀，以極細(xì)粒 為主，含有大量有機(jī)質(zhì)： ( 2 ) 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度o 4 2 o m ，黃灰色，流塑狀，含有大量有機(jī)質(zhì)； ( 3 ) 粉土，厚度o 4 2 9 m ，灰色，飽和，軟塑流塑狀，含碎貝殼： ( 4 ) 粉質(zhì)粘土，最大可見厚度6 4 m ，灰色，飽和，軟塑流塑狀，含碎貝 殼。 高程1 3 m 以下的粉土、粉質(zhì)粘土層為吹填取土層。料場(chǎng)取土層顆粒組成 見表3 。1 。按顆粒組成，吹填土料滿足筑堤要求。 表3 1 料場(chǎng)土層顆粒組成特征 3 2 吹填土的物理性質(zhì) 3 2 1 顆粒組成 在東麗區(qū)大鄭莊至魏王莊段6 個(gè)吹填池中取了1 0 組土樣，在塘沽郊區(qū)3 個(gè) 吹填池中取了1 4 組土樣，做顆粒組成分析，統(tǒng)計(jì)平均值見表3 - 2 。按粘粒含量判 斷，東麗區(qū)吹填土滿足堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范中均質(zhì)土堤的粘粒含量1 5 3 0 的要 求，塘沽郊區(qū)吹填士粘粒含量偏低。 表3 - 2 穎粒組成分析統(tǒng)計(jì)表 與吹填料場(chǎng)土相比，兩個(gè)區(qū)的吹填土粘粒及粉粒含量均有不同程度降低。泥 漿在沉淀過(guò)程中，部分細(xì)小顆粒被水帶走，造成了顆粒“粗化”。顆粒土層在垂 第三章海河干流吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)分析 直分布上，呈細(xì)致層理結(jié)構(gòu)，粘土、粉土、碎貝殼、細(xì)砂交互層疊：顆粒在水平 分布上，距出泥口越遠(yuǎn)土粒越細(xì)，出泥v i 附近存在大量碎貝殼。 3 2 2 物性指標(biāo) 吹填后一年，表層o 5 0 8 m 厚為風(fēng)干固結(jié)的硬殼層，并出現(xiàn)較深的龜裂： 下部吹填土仍呈軟塑流塑狀。吹填土硬殼層下土的物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)見表3 3 。 東麗區(qū)硬殼層下部吹填土物性指標(biāo)平均值為含水量4 7 6 ，孔隙比1 3 6 3 ， 塑性指數(shù)1 6 7 ，干容重1 1 7 9 c m 3 ，室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)最大干容重為1 6 7 9 c m 3 ，最優(yōu) 含水量1 8 5 。塘沽郊區(qū)硬殼層下部吹填土物性指標(biāo)平均值為含水量3 0 9 ，孔 隙比0 9 2 7 ，塑性指數(shù)7 8 ，干容重1 4 1 9 c m 3 ，土樣室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)最大干容重1 7 1 g c m 3 ，最優(yōu)含水量1 5 5 。按塑性指數(shù)分類，東麗區(qū)吹填土為粉質(zhì)粘土，塘沽郊 區(qū)吹填土為粘質(zhì)粉土。 由吹填后半年、一年及一年半土的物理性質(zhì)看，上部硬殼層逐漸增厚，下部 吹填土物理指標(biāo)變化不大，固結(jié)緩慢。 由一年后原狀土樣的滲透試驗(yàn)，東麗區(qū)吹填土垂直平均滲透系數(shù)為1 9 3x 1 0 一c m s ，水平平均滲透系數(shù)為1 2 2 1 0 。4 c m s ；塘沽郊區(qū)垂直平均滲透系數(shù)為2 0 5 1 0 一c m s ，水平平均滲透系數(shù)為1 8 3 1 0 。4 c m s 。原有堤防及堤基土平均滲透系 數(shù)為1 1 0 - 5 e m s 。 吹填土表層干縮裂縫經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)碾壓后，做注水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表層8 0 c m 內(nèi)土層滲 透系數(shù)平均為5 3 2 1 0 - 2 c m s 。 取兩個(gè)區(qū)的吹填土樣，重塑，按壓實(shí)度0 9 0 擊實(shí)，做滲透試驗(yàn)，滲透系數(shù)相 近，平均值為3 2x1 0 一c m s 。 3 3 吹填土的力學(xué)性質(zhì) 3 3 1 抗剪強(qiáng)度 吹填一年后下部吹填土土樣的直剪快剪指標(biāo)如下。東麗區(qū)土樣內(nèi)摩擦角o = 2 。2 9 5 。，平均值為8 7 。；粘聚力c = 5 2 6 k p a ，平均值為5 9 k p a 。塘沽郊區(qū) 土樣內(nèi)摩擦角中= 5 。3 0 5 。，平均值為1 2 4 。：粘聚力c = 5 7 1 3 2k p a ，平 均值為9 8 k p a 。吹填一年半后，吹填土硬殼層下原位電測(cè)十字板剪切試驗(yàn)成果見 表3 4 、表3 5 。 l o 第三章海河干流吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)分析 3 3 3 壓縮性 吹填后一年，硬殼層下部吹填土壓縮性質(zhì)，東麗區(qū)土的壓縮系數(shù)a 1 - 2 = 0 2 4 表3 3吹填土硬殼層下土層物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表 層琴 含水重度干重度孔隙液限塑限塑性液性凝聚內(nèi)摩壓縮壓縮十字板 名量 ( k n m 3 ) ( k n m 3 ) l t ( 呦( ) 指數(shù)指數(shù)力擦角系數(shù)膜量強(qiáng)度 稱 號(hào)()(1(pa)( ) ( m p a 。) ( m p a ) ( k p a ) 1 避最小值 1 871 6 39 8o 5 9 92 1 11 6 74 4 o4 55 2 0o 1 01 4 167 8 扼 霹最大值 6 6 4 2 0 51 6818 0 75 09 2 6 o2 4 92 0 32 6 3 0515 91 2 3 53 3 4 2 塋數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)2 1 2 12 12 12 l 2 12 12 11 11 1 2 0 2 02 3 平均值3 9 21 8 1 1 3 11 1 0 93 352 0 6 1 2 91 3 81 51 1 005 452 41 75 6 標(biāo)準(zhǔn)差 1 3 2101803 2 78 , 42 46 2o 4 271 00 431 384 7 變異系數(shù)0 3 4o 0 6 0 1 4 標(biāo)準(zhǔn)值 2 耄劇、值3 1 21 891 4 4 土最大值 3 1 71 9 21 46 數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)2 22 平均值 3 1 5 1 9 01 45 標(biāo)準(zhǔn)差0 4 0 20 1 變異系數(shù)0 0 10 0 lo0 1 標(biāo)準(zhǔn)值 3 毽最小值 2 7 31 851 4 0 地 粘最大值 3 3 11 9 21 5 數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)666 平均值2 9 91 891 4 5 標(biāo)準(zhǔn)差2 40 20 4 變異系數(shù)00 8o0 1 0 0 3 標(biāo)準(zhǔn)值 4 箍剮、值2 7 9 1 75 1 2 9 粘最大值3 5 8 1 8 71 4 5 土 數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)787 平均值 3 1 51 8 , 41 40 標(biāo)準(zhǔn)差 3 30 40 6 變異系數(shù)0 1 10 0 2 0 0 4 標(biāo)準(zhǔn)值 02 90 2 50 1 20 4 80 3 00 4 8 1 3 08 7 93 6 l1 9 2 1 6 90 3 02 9 0 9 0 94 752 432 3 207 44 5 222222 08 9 44 l82 1 82 00 00 2 i813 64 5 00 20 】90 1 702 2 08 0 52 8 2 09 6 l4 48 68 0 8 7 33 4 1 o0 6 45 5 0 0 70 1 6 0 8 52 5 9 11 2 63 59 77 09 3 83 0 o 134 0 1 10 l l 1 8672 2 322 16 88 2 0 4 1 37 14 49 0 0 703 6 1 7383 2 09 1 67 77 1 9 2 1 08 1232 00 60 2 9 05 23 7 0 3 ll l 06 0 03 1 o 3 91 0 1 2 23 5 66 08 22 4 0 2 71 0 03 30 4 2 1 9 07 6 1 0 】4 13 6 67 10 81 8 0 2 81 0 0 2 60 5 4 1 4 0 9 l 1 1 0 40 1 0 5 2 73 4 6 06 3 65 1 l5 5 7 9 2 2 0 2 8 7 9 2 1 65 6 6 1 5 4 0 8 9 6 1 0 0 1 05 6 5 0 2 9 0 1 8 0 6 3 o 2 3 0 7 6 8 0 4 9 0 1 9 0 3 9 35 1 8 5 7 5 9 1 2 6 0 7 0 6 6 3 3 7 26 6 8 2 2 8 48 0 2 2 2 0 4 6 33 0 0 4 8 1 3 2 4 6 8 13 6 1 0 0 7 3 2 9 1 0 5 1 37 0 1 5 4 26 2 4 89 1 3 4 6 6 5 3 5 0 0 0 8 叭據(jù) 如 舛 引 o 4 4 5 2 4 o o 弭 弘 勰呻 o 0 o 2 0 o o 第三章海河干流吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)分析 1 2 第三章海河干流吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)分析 1 2 6 m p a 1 ，平均值為0 8 4 m p a 1 ；壓縮模量e s = 2 1 4 5 5 1 m p a , 平均值3 5 8 m p a 。塘 沽郊區(qū)土的壓縮系數(shù)a 1 2 = 0 0 6 o 4 0 m p a q , 平均值為0 2 5 m p a 1 ：壓縮模量e s = 7 0 7 3 0 6 3 m p a , 平均值1 4 5 7 m p a 。 3 4 吹填土工程性質(zhì)綜合分析 通過(guò)對(duì)吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)檢測(cè)試驗(yàn)，海河干流吹填土具有如下的工程性 質(zhì)： ( 1 ) 吹填工藝造成的土料顆?！按只笔沟么堤钔林姓沉：科?，東麗 區(qū)吹填土屬于粉質(zhì)粘土，塘沽區(qū)吹填土屬于粘質(zhì)粉土。由于吹填出泥口的位置不 同，吹填土的工程性質(zhì)差異性較大，用吹填土筑堤應(yīng)結(jié)合翻曬做拌和處理。 ( 2 ) 吹填土表層龜裂深度范圍內(nèi)，由于裂縫的存在造成難以壓實(shí)，滲透系 數(shù)過(guò)大，應(yīng)以挖換處理。下部土層水平滲透系數(shù)較大，應(yīng)做滲透穩(wěn)定分析以確定 是否需要做防滲工程措施。 ( 3 ) 由于吹填段位于堤后地勢(shì)低洼處，地下水位較高，吹填土固結(jié)以表層 水分蒸發(fā)為主，地下水位以下部分固結(jié)緩慢。下部吹填土含水量大、抗剪強(qiáng)度低、 壓縮性大，呈現(xiàn)軟土特征。吹填土堤基是否需要處理，應(yīng)對(duì)擬定設(shè)計(jì)斷面做邊坡 穩(wěn)定分析及應(yīng)力應(yīng)變分析后確定。 第四章滲流分析 第四章滲流分析 4 1 滲流分析內(nèi)容及方法 滲流分析內(nèi)容包括：( 1 ) 計(jì)算浸潤(rùn)線位置，為堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算提供參數(shù)； ( 2 ) 計(jì)算出逸點(diǎn)的位置、溢出段及背水側(cè)堤基表面的出逸比降，與試驗(yàn)允許比 降值比較，從而評(píng)價(jià)堤防斷面的滲透穩(wěn)定性。 考慮堤防滲透穩(wěn)定的重要性，滲流分析擬采用理論公式法、有限單元法及實(shí) 物模型試驗(yàn)法等三種方法進(jìn)行分析計(jì)算。 4 2 滲流計(jì)算工況 堤防的擋水是有時(shí)間性的，在擋水時(shí)間內(nèi)不一定能形成穩(wěn)定滲流的浸潤(rùn)線， 但海河干流為天津市重要的行洪河道，堤防級(jí)別為3 級(jí)，應(yīng)按穩(wěn)定滲流計(jì)算。 計(jì)算工況水位組合為：( 1 ) 臨河側(cè)為設(shè)計(jì)洪水位3 8 2 m ，背河側(cè)為相應(yīng)低水 位1 5 0 m ：( 2 ) 洪水位在1 2 小時(shí)內(nèi)由3 8 2 m 降落到3 0 m 。 4 3 公式法滲流計(jì)算 4 3 1 基本假定 實(shí)際筑堤土料各部位、各方向的性質(zhì)不同，即使是相同的土料在分層碾壓的 旌工工藝下也會(huì)造成水平向與豎向性質(zhì)的不同。按吹填土的顆粒分析，吹填土為 細(xì)顆粒土，滲流計(jì)算可假定各項(xiàng)同性，按均質(zhì)壩計(jì)算。壩身土滲透系數(shù)按吹填重 塑土平均值計(jì)算，壩基土滲透系數(shù)采用加權(quán)平均法確定。 4 3 2 浸潤(rùn)線計(jì)算 4 3 2 1 滲流基本方程 根據(jù)已有研究，當(dāng)土體中滲流為層流時(shí)，滲流滿足達(dá)西定律。一般認(rèn)為，雷 諾數(shù)r e 1 0 時(shí)，達(dá)西滲流定律就可以滿足。 根據(jù)水的密度p ， 雷諾數(shù) 流速v ，水的粘滯系數(shù)r t r e = p v d r 土粒子平均粒徑d ，可以算出 ( 4 - 1 ) 第四章滲流分析 考慮水的密度p = 1 o ( g c m 3 ) ，水溫1 0 時(shí)水的粘滯系數(shù)q = o 0 1 3 1 ( g s e e e r a ) ， 一般流速v = 0 2 5 ( c m s e c ) ，則滿足達(dá)西滲流定律的土的平均粒徑d d 行r e p v o 5 2 m m ( 4 - 2 ) 海河干流吹填土平均粒徑小于o 5 2 m m ，滿足達(dá)西滲流定律。 由達(dá)西定律 仇：一缸絲：v ，：一b 塑( 4 3 ) c 洲 連續(xù)條件 塑+ 塑：o ( 4 - 4 ) o x 砂 得二維各向異性土穩(wěn)定滲流期的連續(xù)方程 缸警+ 島害= 。 s ， 當(dāng)土各向同性時(shí)，k ，= k 。，則得滲流基本( l a p l a c e ) 方程 箕+ 罌：o ( 4 - 6 ) o x 2 8 y 2 4 3 2 2 穩(wěn)定滲流期浸潤(rùn)線 按照滲流計(jì)算分析與控制中對(duì)l a p l a c e 方程的積分簡(jiǎn)化可得浸潤(rùn)線計(jì)算 公式： 。，字q + t 等 ， z 口 式中，口f ：k + v 百而h i - h o 。 一nt=qt-l，+i：i：i；憊+(,。+0sxho-z1)+m,z,+044rkot 一皿= 1 + i ：i ：i ；i ：芝考i i i 磊1 + i = ( o 5 1 0 x l + m h 。) ( 4 - 8 ) 瑤一日 蘭州 一r 糾l 第四章滲流分析 單位寬度滲流量由堤身滲流量和堤基滲流量?jī)刹糠纸M成 a = a 。+ t 。j j 糕 驢七毒2 南2 l l = l + 她 ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) 址：生日，( 4 1 2 ) 2 m 1 + 1 1 式中符號(hào)意義如圖4 - 1 。 式中q 、q d - 一總單位寬度滲流量、堤身單位寬度滲流量( m 3 i s m ) ； k 、k o 堤身、堤基滲透系數(shù)( 州s ) ； h l 、h 廠一上游、下游水位( m ) ； m 卜m 廣上游、下游坡率； h 曠一下游出逸點(diǎn)高度( m ) 。 圖4 - 1 浸潤(rùn)線計(jì)算示意圖 本試驗(yàn)段工程中，h 1 = 3 8 2 m ，h 2 = 1 5 0 m ，m l = m 2 = 2 5 ，堤身土平均滲透系數(shù) 取k = 3 2 1 0 c m s ，堤基土平均滲透系數(shù)取k 0 - l 1 0 e n d s ，計(jì)算結(jié)果為 h 0 = 1 5 6 7 m ，浸潤(rùn)線坐標(biāo)值見表4 1 。 表4 - 1 穩(wěn)定滲流期浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果 x ( m ) 0 13 58 ，81 31 51 8 72 232 34 第四章滲流分析 4 3 2 3 水位驟降時(shí)的浸潤(rùn)線計(jì)算 水位驟降時(shí)，堤身內(nèi)浸潤(rùn)線位置與筑堤土的滲透數(shù)k 、水位降落速度v ，土 體的給水度“有很大關(guān)系。當(dāng)k p v 一 6 0 時(shí)，浸潤(rùn)線為急降過(guò)程，堤身滲流自 由面保持總水頭1 0 以下，己不影響堤坡穩(wěn)定，因此，一般不需要進(jìn)行上游坡的 水位降落穩(wěn)定計(jì)算。只有在1 l o 1 3 5 時(shí)，為流土型： 當(dāng)p 。 2 5 時(shí)，為管涌型；當(dāng)2 5 p 。 3 5 時(shí)，為過(guò)渡型。 海河干流吹填土不均勻系數(shù)c 。= 9 2 2 0 9 ，p 。= 4 4 - - 6 2 ，滲透變形類型應(yīng)為 流土型。 4 3 3 2 吹填土允許滲流比降確定 流土型土的臨界滲透比降按以下公式確定： ，。，= ( g 。一1 x 1 一n ) ( 4 1 8 ) 式中，j 。廠一土的臨界滲透比降； g s _ 一土的顆粒密度與水的密度之比； n 土的孔隙率( ) 。 土的允許比降以土的臨界比降除以1 5 2 0 的安全系數(shù)確定。本工程中吹填 土性質(zhì)復(fù)雜，取安全系數(shù)2 0 ，確定吹填土的允許滲透比降值為0 6 。 4 3 3 3 背水坡滲流出口比降計(jì)算 下游滲流出口的比降，其精確計(jì)算極為復(fù)雜，按照滲流計(jì)算分析與控制 中的近似假定，簡(jiǎn)化計(jì)算示意如圖4 3 ，計(jì)算公式如下： 第四章滲流分析 沿滲出段a b ，= 志” 沿浸沒(méi)坡b c 沿浸沒(méi)堤基面c d 圖4 - 3 滲流出口比降計(jì)算示意圖 幾瓦黼 ( 4 1 9 ) ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) 1 2 志( 4 - 2 2 ) 經(jīng)計(jì)算得，j a = 0 1 8 ，j b = 0 2 3 ，j c = o 2 8 。堤防背水坡滲透穩(wěn)定滿足安全要求。 4 4 滲流有限元分析 4 4 1 滲流分析有限元法原理及計(jì)算公式 有限元法是按照變分原理，求泛函積分找其函數(shù)值，即把微分方程及其邊界 條件轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)泛函極值的問(wèn)題。有限元法的計(jì)算步驟如下： ( 1 ) 將概化的偏微分方程的定解問(wèn)題化為相應(yīng)的變分問(wèn)題。 ( 2 ) 離散化：將求解域劃分為具有一定幾何形狀的單元，進(jìn)行單元編號(hào)， 并確定插值函數(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行總體編號(hào)和單元上的局部編號(hào)。 第四章滲流分析 ( 3 ) 單元分析：以單元節(jié)點(diǎn)水頭函數(shù)值的插值函數(shù)來(lái)逼近變分泛函方程中 的水頭函數(shù)，得出單元上以節(jié)點(diǎn)水頭值為未知量的代數(shù)方程組，從而導(dǎo)出單元滲 流矩陣。 ( 4 ) 總體滲流矩陣合成：由單元滲透矩陣合成總體滲透矩陣，并以定解條 件代入，從而得出整個(gè)求解區(qū)域上的總體有限元方程。該合成過(guò)程由節(jié)點(diǎn)局部編 號(hào)與總體編號(hào)的關(guān)系來(lái)確定。 ( 5 ) 求解線性代數(shù)方程組，求解各節(jié)點(diǎn)的未知水頭值。 ( 6 ) 結(jié)果分析及其他相應(yīng)所需物理量的計(jì)算。 二維滲流有限元基本方程為 k m + 圳詈 = q ) ( 4 2 s ) 式中，k 滲透系數(shù)矩陣； 日 總水頭向量； i ml 單元儲(chǔ)水量矩陣； 9 卜一流量向量； 鱖降匱磬w r 巧p 悱 三黝 式中為各向異性透水的最大滲透系數(shù)方向角。 節(jié)點(diǎn)水頭求單元內(nèi)任意點(diǎn)水頭為： f h l l 日b ，_ y ) = m n ：n ， t h ： ( 4 2 4 ) 【凰j n l = - 】+ b l x + c l y ) 2 a n 2 = 忙2 + b 2 x + c 2 y ) e a m = 忙3 + b 3 x + c 3 y ) 2 a 式中，a 1 = x 2 y 3 一x 3 y 2 ，口2 = x 3 y