中小河流河道堤防施工滲透系數(shù)確定方法的探討

葉萬超

(沈陽利鑫土木工程有限責(zé)任公司，沈陽 110000)

0 前 言

當(dāng)前，中小河流治理需要對河道堤防的滲透系數(shù)進(jìn)行合理設(shè)定，從而提高中小河流施工過程中的穩(wěn)定性[1]。傳統(tǒng)方法大都采用數(shù)值模型模擬的方式進(jìn)行滲透系數(shù)的推算，這種方式的優(yōu)點在于可較為準(zhǔn)確的實現(xiàn)不同河道堤防滲透系數(shù)的沿程分布，但缺點在于操作較為復(fù)雜，需要建立河道堤防的數(shù)學(xué)模型[2-4]。近些年來，河段堤防滲透系數(shù)采用物理模型的試驗方式，這種方式的優(yōu)點在于可以較好的貼合工程實際，但缺點在于需要較多的經(jīng)費完成。近些年來，通過原位觀測試驗的方式，對河道堤防施工滲透系數(shù)進(jìn)行確定，這種方式較為簡單，且基本能符合中小河流工程實際，在許多地區(qū)中小河流河道堤防施工滲透系數(shù)的確定中得到應(yīng)用，但在遼寧地區(qū)還未得到應(yīng)用，為此文章分別結(jié)合物理模型和原位觀測兩種方式，對遼寧地區(qū)中小河流堤防施工中的滲透系數(shù)進(jìn)行分析，探討最優(yōu)化的滲透系數(shù)確定方法，研究成果對于中小河流河道堤防施工滲透系數(shù)確定具有重要的參考價值。

1 研究方法

物理模型水流流體，設(shè)定為多孔傳輸?shù)慕橘|(zhì)，河道堤防的滲透系數(shù)采用達(dá)西定律進(jìn)行計算：

(1)

該滲透系數(shù)物理模型簡化了傳統(tǒng)統(tǒng)達(dá)西計算定律的計算方程：

(2)

式中：K為確定的河道堤防滲透系數(shù)，cm/s；J為水力學(xué)比降，%；h為計算水頭，cm；S為水力半徑，cm；r為容重值，kg/m3。滲透孔隙度計算方程為：

(3)

由方程：

(4)

水流阻力系數(shù)計算方程為：

(5)

式中：a和u分別為地質(zhì)參數(shù)。非穩(wěn)定滲透水流的計算方程為：

(6)

各方向滲透系數(shù)的參數(shù)為常數(shù)值，則方程可簡化為：

(7)

若按照同一個方向進(jìn)行滲透，則方程為：

(8)

式中：Z為滲透水流計算參數(shù)值。

2 研究實例

2.1 物理模型概況

物理模型試驗由過度連接段、動床河段、穩(wěn)水河段三個部分組成，總長為45m。驗河槽動水段和過渡連接河段分別為30m和5m，采用長度為20cm的粗砂段將過渡連接河段與動水河床段進(jìn)行連接，物理模型試驗河段如圖1所示。

圖1 模式試驗河段平面布置圖

2.2 地質(zhì)參數(shù)分析

采用物理模型放水試驗的方式對滲透系數(shù)進(jìn)行確定，首先結(jié)合原位觀測試驗方式對中小河流堤防施工不同試驗斷面的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析，如表1所示，結(jié)合各試驗河段的地質(zhì)參數(shù)，分別進(jìn)行15組物理模型方式試驗，對其滲透系數(shù)進(jìn)行確地，滲透系數(shù)確定結(jié)果如表2所示。

表1 各試驗河段地質(zhì)參數(shù)

表2 滲透系數(shù)計算精度分析

從各試驗河段的地質(zhì)參數(shù)分析結(jié)果可看出，不同試驗河段的地質(zhì)參數(shù)和其地質(zhì)特征具有較大的相關(guān)性，土層厚度越大的河段，且黏聚力和內(nèi)摩擦力一般較大，而對于地質(zhì)類型而言，砂土和粉砂土內(nèi)摩擦角一般較大，對于各地質(zhì)類型而言，素填土的內(nèi)摩擦角一般較小，素填土的黏聚力較低[5-7]。從15組放水試驗測定結(jié)果可看出，隨著地質(zhì)土厚增加，其滲透系數(shù)一般有所減小，采用物理模型結(jié)合原位觀測的方式下，滲透系數(shù)計算值和試驗測定的滲透系數(shù)之間的相對誤差總體可控制在20%的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)誤差的范圍內(nèi)，而絕對誤差也可低于2.0×10-5cm/s，滿足河道堤防施工滲透系數(shù)的計算要求，從15組放水試驗的誤差分布可看出，滲透系數(shù)計算值和試驗測定值之間可具有較好的相關(guān)度，相關(guān)系數(shù)可在0.6以上，因此文章采用的物理模型結(jié)合原位觀測的試驗方式測定的滲透系數(shù)具有較好的設(shè)計精度[8-10]。

2.3 不同方法對比分析

結(jié)合15組放水試驗測定的滲透系數(shù)，分別對傳統(tǒng)方法和新方法下的滲透系數(shù)進(jìn)行對比分析，從而確定較為優(yōu)化的河道堤防施工滲透系數(shù)的方法，兩種方法對比結(jié)果如表3所示。

表3 兩種方法的滲透系數(shù)對比結(jié)果

續(xù)表3 兩種方法的滲透系數(shù)對比結(jié)果

從兩種方法的滲透系數(shù)對比結(jié)果可看出，采用新方法后可有效降低滲透系數(shù)的誤差率，相比于傳統(tǒng)方法，其滲透系數(shù)的測定誤差可降低5%左右，且相關(guān)系數(shù)可提高0.2左右。這是因為新方法通過原位觀測的試驗方式對不同試驗河段的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行有效測定，解決傳統(tǒng)方法參數(shù)較難獲取的難題，此外新方法結(jié)合物理模型的試驗方式，通過放水試驗，對不同放水量下的河道堤防施工滲透系數(shù)進(jìn)行試驗測定，這種方式較為貼合施工中小河流的實際情況，穩(wěn)定性更好，使得新方法相比于傳統(tǒng)方法，河道堤防施工的滲透系數(shù)得到一定程度的提升[11-13]。相比于傳統(tǒng)數(shù)值模型方式，這種方法操作原理較為簡單，且需要的參數(shù)較少，但不足在于需要建立物理模型，通過不同放水試驗對其不同試驗河段堤防的滲透系數(shù)進(jìn)行測定。因此在一些工程造價較高的中小河流，這種方式較為適宜，通過建立原位觀測試驗河段的物理模型，分析不同放水流量對河道堤防施工滲透系數(shù)的影響，而傳統(tǒng)采用數(shù)值模型的方式，需要確定不同河道的物理、地質(zhì)參數(shù)，操作相對較為復(fù)雜。

3 結(jié) 論

1)土層厚度越大的河段，且黏聚力和內(nèi)摩擦力一般較大，而對于地質(zhì)類型而言，砂土和粉砂土內(nèi)摩擦角一般較大，對于各地質(zhì)類型而言，素填土的內(nèi)摩擦角一般較小，素填土的黏聚力較低[14]。

2)采用物理模型結(jié)合原位觀測的方式下，滲透系數(shù)計算值和試驗測定的滲透系數(shù)之間的相對誤差總體可控制在20%的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)誤差的范圍內(nèi)，而絕對誤差也可低于2.0×10-5cm/s，滿足河道堤防施工滲透系數(shù)的計算要求。

3)采用物理模型結(jié)合原位觀測的方式下。相比于傳統(tǒng)方法，其滲透系數(shù)的測定誤差可降低5%左右，且相關(guān)系數(shù)可提高0.2左右，操作原理較為簡單，且需要的參數(shù)較少，但不足在于需要建立物理模型，因此在一些工程造價較高的中小河流，這種方式較為適宜[15]。