用GeoStudio模拟“5612”号台风正面袭击海盐对标准塘渗透稳定性分析

2022-09-11

我国是一个遭受台风袭击频繁的国家, 1956年在浙江象山县南庄登陆的第12号台风给全国带来了空前的浩劫, 仅浙江就有4925死于非命, 1.7万余人受伤, 220万幢房屋受到不同程度毁坏, 经济损失难以估量。

海盐是浙江省的一个行政县, 位处杭州湾北侧, 属嘉兴地区。北距上海118公里, 南离省会杭州98公里。全县陆地面积507.3公里, 人口36.4万, 综合实力百强县。全县境内钱塘江北岸标准海塘共35.7km, 是保护杭嘉湖平原的重要堤防。本研究应用国际先进的Geo Studio岩土工程设计分析软件中的SEEP/W (地下水渗流分析软件) 模块, 模拟“5612”号台风走北线袭击海盐县时, 钱塘江北岸海盐段标准塘的渗透稳定性情况。

1 程序简介

GeoStudio是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件。作为优秀的岩土工程设计分析软件, GeoStudio目前已经为上百万科学研究人员、工程技术人员、教育工作者以及学生提供了无与伦比的帮助。GeoStudio是以GeoSLOPE为主体的一套地质构造模型软件的整体分析工具, 它包括八种专业分析软件, 其中SEEP/W (地下水渗流分析软件) 是第一款全面处理非饱和土体渗流问题的商业化软件。

SEEP/W用于地下渗流分析, 是一个有限元分析软件, 分析地下渗流及含水孔压力分散集中, 使用SEEP/W您可分析从简单的饱合稳态到复杂的不饱和时变。在SEEP/W模块中, 通过渗流有限元计算, 可以分析边坡在不均匀饱和条件、非饱和条件下的孔隙水压力, 也可以对边坡稳定时的瞬态孔隙水压力研究。通过瞬态分析, 可以得出不同时刻不同点的孔隙水压力状况。通过对孔隙水压力随时间变化的结果分析, 可以研究边坡、路堤稳定性与时间的关系。在分析水中介质扩散转移问题时水流速度是其中关键因素之一, 通过SEEP/W模块可得出水的流速, 然后在CTRAN/W模块中通过计算的水流速度可研究分析水中介质扩散转移。

2 非稳定渗流模拟计算

2.1 基本理论及计算断面

海塘受潮位、波浪的瞬息变化影响, 必须考虑非稳定渗流。GeoStudio的SEEP/W程序是针对饱和及非饱和多孔渗水材料渗流而编制的, 适用于稳定状态下有边界和非边界渗流、瞬态渗流、平面或横截面二维渗流和轴对称的三维渗流, 可用来研究钱塘江水位受台风、潮水影响的非稳定渗流, 求解的方法是基于三角形的有限元法。

选取海盐省管北岸险段标准塘五团~八团段断面作为计算代表断面进行二维渗流有限元数值模拟分析。该段标准塘完建于2003年, 设计重现期100年。该计算断面水文资料采用模拟“5612”号台风走北线, 登陆时遭遇大潮高潮位进行分析, 计算断面的非稳定渗流状态。采取的计算分析方法如下:

江河海潮大堤的渗流问题, 其水头函数h (x, z, t) , 对非稳定渗流问题应满足基本方程式:

自由面边界条件:

式中, h (x, z, t) —待求的水头函数;kx、kz—xz方向的渗透系数;Ss—单位储水量;μ—给水度。

引用有限元法将渗流场划分成有限单元, 离散渗流域进行数值求解如下方程:

求解此方程组, 则得t+△t时刻渗流场分布, 引用中线法计算过流单宽渗量、渗透坡降。

渗透稳定性判断采用安全比降法, 以土层出逸点渗透比降J小于或等于土体允许比降J c r作为安全标准。若J>J c r, 则认为土体产生的渗透变形将失去稳定性。其中J为出逸点的平均渗透比降, 分别按有限元方法和《堤防工程设计规范》 (G B5 0 28 6-98) 的公式计算。在有限元计算中, 须对渗流场中逸点所在单元的势函数梯度的模求单元平均, 即为平均渗透比降。规范法土体允许比降Jcr按照坡脚土体中性质最差的土体的临界比降值, 对堤坡渗流稳定进行对比、分析、判断。

堤身填土与地基土根据地质勘探资料, 详见表1。计算水位采用模拟“5612”台风走北线遭遇天文大潮引起的水位, 具体水位过程线详见图1。

2.2 计算结果分析

从计算结果中可以看出, 在模拟“5612”号台风走北线, 登陆时遭遇大潮高潮位的情况下, 钱塘江北岸海盐段标准塘能满足渗透稳定的要求。

从计算断面在涨落潮水位时渗流场及浸润线的变化可以看出:由于潮水的潮涨潮落, 在海塘的内部形成比较稳定的渗流状态, 其浸润线是一条介于平均高潮位与平均低潮位之间比较稳定的浸润线, 随潮位的变化, 海塘内的渗流场仅略有改变。

在外江高潮位时, 靠近迎水坡面的浸润线随水位下降非常显著, 而距迎水坡面较远的渗流场无明显变化。

考虑渗流的滞后作用, 在潮位降至低水位后, 海塘内的渗流场仍会有缓慢变化, 但由于两次潮水间隔比较短, 在渗流场略有变化时, 就迎来了下一次涨潮, 因此非稳定渗流变化的滞后作用对海塘内的渗流场并无太大影响。

总之, 海塘在潮水的长期作用下, 已形成比较稳定的渗流场, 潮位的短暂涨落对这一渗流场无太大的影响, 只是对临水坡影响比较明显, 对海塘中、后部基本没影响。所以在进行海塘稳定评估时, 潮水涨落对海塘渗流的影响可以作为某一水位下的稳定渗流考虑。

3 结语

钱塘江北岸海盐段标准塘水位为潮汐变化型水位, 遭遇类似“5612”台风这样的超标准风暴潮最高水位历时在2小时以内, 该历时远小于海塘形成稳定渗流的时间。海塘堤身渗透基本不受外江水位变化影响, 仅对临水坡处影响较明显, 对海塘堤身后部影响不明显。

摘要：利用GeoStudio岩土工程设计分析软件SEEP/W模块模拟“5612”号台风走北线袭击海盐县时, 钱塘江北岸海盐段标准塘的渗透稳定性情况。模拟结果表明海盐县境内标准海塘渗流稳定安全性能优良。且GeoStudio岩土工程设计分析软件SEEP/W模块具有良好的实用性能, 适用于海塘渗流稳定安全分析。

关键词：钱塘江北岸海盐段标准塘,“5612”号台风,渗透性能,GeoStudio程序,SEEP/W模块