摘 要

随着城市化进程的不断深入，我国在道路桥梁工程建设上取得了长足的进步，在桥梁建设中堤防建设尤为重要，当建设河流的桥梁设施的时候，桥梁的基础会对河流岸坡的渗流场具有很大的影响和破坏。所以为保证桥梁工程的正常修建并保证其在使用期限的安全性，工程人员需要对桥梁前后的抗滑稳定性进行对比，并利用软件建模模拟工程后两岸渗流场，研究桥梁建成后渗流对跨越堤防渗流安全系数，并对建设工程提出指导性意见，保证工程建设和使用的安全性。

本文首先利用CAD对新潜江大桥的工程的桥梁左右岸跨堤工程建模，之后提取研究堤防稳定性及渗流所需要的关键点，通过将关键点导入Geostudio软件建模。软件采用二维有限元数值模拟的方法对新潜江大桥桥墩修建后的岸坡稳定渗流渗流场进行对比分析，并且在渗流分析基础上去采用二维极限平衡的理论开展对桥梁基础对岸坡抗滑稳定的影响。分析建桥前后堤防稳定性的变化规律，从而为工程建设提供参考。

关键词：稳定渗流；二维极限平衡；渗流场；数值模拟。

ABSTRACT

Abstract: With the continuous development of urbanization，China has made great progress in the construction of roads and bridge，and embankment construction is particularly important in bridge construction.When building river bridge facilities, the foundation of the bridge will have a great influence on and damage to the seepage field of the river bank slope.Therefore, in order to guarantee the normal construction of the bridge project and guarantee its safety during the service life, the engineering staff needs to compare the anti-sliding stability before and after the bridge，and use software modeling to simulate the seepage field after the construction of the project, study the seepage safety coefficient of the seepage flow across the embankment after the completion of the bridge, and provide guiding opinions for the construction project to ensure the safety of the construction and use of the project.

This paper first uses CAD to model the bridges on the left and right sides of the bridges of the new Qianjiang Bridge project, and then extracts the key points needed to study the stability and seepage of the embankments. The key points are then imported into the Geostudio software for modeling. The software uses two-dimensional finite element numerical simulation method to compare and analyze the stable seepage seepage field after the construction of the piers of the new Qianjiang River Bridge, and uses the theory of two-dimensional limit equilibrium to carry out the anti-slip of the bridge foundation to the bank slope on the basis of seepage analysis. Stable effect. Analyze the change law of embankment stability before and after the bridge construction, so as to provide reference for project construction.

Keywords: steady seepage; 2D limit equilibrium; seepage field; numerical simulation

目录

第一章 绪论 7

1.1 研究意义及目的 7

1.2 国内外堤防渗流研究现状 8

1.2.1 国内堤防渗流研究现状 8

1.2.2 国外堤防渗流研究现状 9

1.3 研究主要内容 10

第二章 堤坝稳定渗流分析的基本理论 11

2.1 堤坝稳定分析基本理论 11

2.1.1 基本原则 11

2.1.2 毕肖普简化法 11

2.2 渗流基本理论 12

2.2.1 渗流的基本计算物理量 13

2.2.2 Darcy定律 14

2.2.3 基本方程 15

第三章 项目概况 19

3.1 工程概况 19

3.2 桥梁跨堤设计 20

3.2.1 主体大桥设计 20

3.2.2两岸跨堤孔设计 21

3.2.3桥墩结构形式 21

3.2.4 潜江左岸大堤跨堤设计 21

3.2.5 潜江右岸大堤跨堤设计 22

3.3 地质条件 23

第四章 跨堤稳定渗流分析 25

4.1 跨堤稳定渗流分析软件介绍 25

4.1.1 渗流分析计算软件SEEP/W 25

4.1.2 稳定分析计算软件SLOPE/W 26

4.2 堤防渗流建模分析 26

4.2.1堤防渗流模型 26

4.2.2渗流计算参数 27

4.2.3 左堤渗流计算结果 28

4.2.4 右堤渗流计算结果 29

4.3 抗滑稳定性建模分析 31

4.3.1 抗滑稳定性建模 31

4.3.2 抗滑稳定性计算参数 31

4.3.3 抗滑稳定性计算工况 31

4.3.4 左堤抗滑稳定性计算结果 32

4.3.5 右堤抗滑稳定性计算结果 34

第五章 结论与展望 36

5.1 结论 36

5.2 展望 37

参考文献 38

致谢 40

第一章 绪论

1.1 研究意义及目的

随着当前我国国力提升和城市化的快速发展，道路桥梁的建设也加快了发展的脚步。桥梁是交通运输的重中之重，是道路翻山越岭的重要基础，其建筑设计使用的安全性尤为重要。在进行桥梁建设中桥梁的跨堤设计的安全性很大一部分取决于其堤坝的抗滑稳定性和渗流安全性。所以研究桥梁的安全性也就必须考虑到堤坝堤防的安全性。

堤防工程是为了能够抵抗得住洪水这些破坏，所以它的设计和施工都要依据这个准则。堤防存在渗流破坏的原因是其大多是沿着河岸修建，所以是不可避免的。据统计，我国失事堤坝中渗流破坏导致的就占到将近三成。1998年的长江洪水，就曾多次发生过由管涌引起的堤防溃口事件。当河段处于汛期时水位较高，因为堤基下存在泥沙透水层，当地下水流经此区域后发生透水，导致水压力的损失十分小，此时堤基表面黏土层的渗透压力过大，随着水压力一直不断增加，超过一个临界后，黏土层就无法再限制水流，一起带出下面的粉砂等渗透出来。之后水土流失会造成堤基里面渐渐形成若干不规则的通道，就会形成了所谓的渗流破坏中常见的管涌破坏。对堤防工程来说，因为设计施工参数和把控施工的质量十分困难，造成渗透破坏造成事故或者诱发其他安全事故的概率可能就变得很高。并且在国内普遍经常出现的问题主要有堤防工程渗流破坏严重、边坡稳定性不达标、坝身和堤基缺少必要的渗流控制措施，这些都和要求防洪标准比较低有直接的关系。所以，堤防渗流问题日渐显现的时候，我们也应该更加注重堤防渗流稳定性的分析工作。根据研究发现，堤身的渗透破坏主要有三种：渗水造成的堤坡冲刷、漏洞和集中渗流造成的接触冲刷^[1]。分述如下：

（1）堤坡冲刷

堤坡冲刷是因为背水堤坡渗水导致的。原因其一是堤坡的出逸比降比允许比降而产生的渗透破坏更大，其二是渗水集中之后对坡面造成水流冲刷。

（2）堤身漏洞

堤防背水坡及堤脚的周围出现了穿透堤身的流水孔洞即漏水洞。漏水洞中的集中水流对土体的冲刷力很强，所以对堤防的危害也非常大。

（3）堤身接触冲刷

在堤身发生集中渗流时，若冲刷力比土体的渗透强度更大时，在集中渗流的地方就会发生接触冲刷破坏。因为接触冲刷的发展速度很快，所以对堤防的威胁是极大的，须对它进行必要的除险加固。

拟建的潜江汉江大桥线起于张港镇但铺村，沿张港镇经五路(规划路)走廊南行，在九家湾跨北岸汉江堤、然后跨越汉江后在王家拐村跨堤并向东南前行，接着在潜江市竹根滩镇康岭村接上老路潜江线，路线总长为6.709km。为保证潜江大桥在设计建设使用中的安全性，我们需要对大桥的左右河堤跨堤入手，由于两岸底层岩性比较复杂，地下水丰富，若修建大桥堤坝容易对地下渗流场造成一定破坏，从而对堤防造成破坏，减弱大桥的安全性甚至出现溃堤的危险。所以对潜江大桥左右岸抗滑稳定性与渗流场在修建后的分析十分有必要。

1.2 国内外堤防渗流研究现状

1.2.1 国内堤防渗流研究现状

在国内，堤防渗流研究也有不错的发展，在六七十年代数值分析就已经运用到渗流分析中来,而今随着计算机软件技术突飞猛进的发展，数值模拟分析法更是在研究求解渗流场问题上大展其拳脚，此法越来越多的运用到工程实例中。国内学者吴良骥等人就在1985年提出了研究饱和与非饱和区中渗流问题运用有限差分法的数值模拟分析模型，此法的创新之处在于为了提高质量平衡精度，它采用了辛普森数值积分。之后毛昶熙对渗流计算分析与控制做出了系统性的研究和阐述^[2]。在1990年，任理推广了J.R.Chen等人提出的有限解析法，并把它应用到分析非饱和土壤中的水分运动，该法的出现标志渗流研究达到了较高的精度，具有划时代的意义。1997年，刘洁等人将Picard 迭代法运到堤坝的饱和与非饱和有限元分析中，且研究比较了堤防渗流在饱和、非饱和渗流条件下的异同。2001年,彭华等人通过研究并修改饱和与非饱和渗流分析有限元法，并创造了一种新方法来计算渗流。在同一年，金峰等人也提出了一种渗流的离散单元法饱和与非饱和渗流模型，该方法是以迭代法为基础，这使得存在裂隙岩体中的渗透能够直接参与到离散单元法的平衡迭代中，此法最大化的避免了复杂渗透方程组的求解所造成的较大的计算困难^[3]。在1976年，河海大学研究人员在进行对非稳定渗流有限元法计算时，在结合工程实例相关后，对比了选择非稳定渗流方程的计算方法，得出了两者基本一样的结论。

1.2.2 国外堤防渗流研究现状

早在1856年，一位来自法国的工程师Darcy就研究水在装砂的竖直圆管中的渗透试验，并依据他在实验中研究结果提出了达西定律的渗透理论，该理论成为了渗透理论的后续发展基础。在1889年H.E.茹可夫斯基最先推导了渗流基本微分方程^[4]。渗流基本微分方程出现后，许许多多的数学家及水利科学工程师投入到关于渗流力学、渗流数学模型及其解析解法的研究中，通过广泛深入地研究，成功取得了一大批的理论研究成果，然而与很多伟大的理论一样，将渗流理论的研究成果运用到实际工程解析中却受到限制出现极大的偏差,究其原因是由于这个理论仅仅只在均匀渗透介质和简单边界条件下才能够适用。

在1922年出H.H 巴普洛夫斯基首次提出利用电拟法来分析求解较为复杂的渗流的方法。它的基础在于将渗流场的控制方程和电场类似化，从渗流的角度来看，它只是个数学模型而并不是研究所需要的物理模型。在此之前为人们在研究渗流问题时运用的十分普遍的电网络法,全都是基于在差分原理理论的，而与之不同的是如今的电网络法的基础是变分理论,这使渗流研究有了很大的改进。

当今社会电子计算机技术日新月异，在进行渗流分析时，越来越多的运用到了数值分析的方法。当研究渗流计算数值时，为人常用到的方法较多如有限差分法、有限单元法等等。

早在1910年L.F.Richardson 就首先提出了有限差分法。他提出的有限差分法求解渗流相关问题的步骤包括三步：剖分渗流区、建立渗流问题相关差分方程和求解差分方程^[5]。在经历了长期的研究改进和广泛应用的考验后，该方法已经具备了完备的理论基础并在此之后也有足够的各类实际工程经验。此后滓克维茨在1965 年提出可用有限单元法来计算所有能按变分形式进行计算的渗流场问题，该方法为有限单元法进行渗流分析奠定了坚实的理论基础。迄今为止，该方法在渗流研究分析中的应用已经越来越广泛展现了极大的生命力和实用性。边界元法是建立在贝蒂互换定理及弗雷德霍姆积分方程理论，就是说它的基础是经典力学的理论。所谓的边界元法最早出现在20世纪60年代的后期，与现在不同的是，当时的边界元法被叫做边界积分方程法，边界单元法这个名称也直到1978年才被正式提出并获得了广泛的认可。如今,国内外的渗流相关研究人员在渗流研究分析时都青睐于使用边界单元法，使其积累了更多的工程经验。

1.3 研究主要内容

本文以潜江汉江大桥跨越的两岸堤防为研究对象，采用稳定渗流和二维极限平衡分析方法，基于Geostudio二维渗流稳定分析软件，学习并开展堤防在建桥前后的渗流场数值模拟工作，分析堤防渗流场分布特征，研究建桥前后堤防稳定性的变化规律，从而为工程建设提供参考。主要研究内容如下：

（1）研究潜江汉江大桥跨堤设计方案和背景资料。完成左堤与右堤的跨堤方案设计并对其地下水条件和水文条件深入了解。

（2）进行软件建模。学习并利用Auto CAD和 Geostudio两款软件完成建立堤防-桥墩体系的模型，模拟出潜江大桥渗流场。

（3）渗流分析计算。通过完善Geostudio中的堤防-桥墩体系的模型，并利用软件和相关计算公式开展相应的渗流稳定计算分析工作，并得到稳定性和堤防渗流安全数值。

（4）安全性评估及相关建议和意见，结合堤防渗流安全系数评价大桥渗流堤防的安全性，并对桥梁施工建设提出意见和建议。

第二章 堤坝稳定渗流分析的基本理论

2.1 堤坝稳定分析基本理论

2.1.1 基本原则

建立在极限平衡基础上的堤防边坡稳定分析方法包含有以下几条基本原则：

1. 关于安全系数的定义

边坡稳定性的好坏一般都是采用边坡的安全系数来衡量的。边坡沿着某一个滑裂面滑动的安全系数F的定义如下表示：将抗剪强度指标降低到和，那么沿着断裂面出达到极限平衡：

， （2-1）

（2-2）

1. 摩尔-库伦强度准则

假若边坡的一部分沿着一个滑裂面进行滑动，那么在这个滑裂面上，在土体与土条里每一处都达到了极限平衡，也就是说其正应力和剪应力满足了摩尔-库伦强度准则。那么假设土体的法向力和切向力分别是N和T,那么存在：

（2-3）

式子中：为土条底倾角，u为孔隙水压力，且。

即空隙水压力系数为:

（2-4）

（3）静力平衡条件

将沿着滑裂面滑动的滑动土体分成若干土条，其中每一个土条和整个滑动体都满足力和力矩的平衡条件。在静力平衡条件方程里面，由于未知数的数目是超过方程的总数的，所以假定多余未知数是解决静不定方程的办法，使得方程的数目和未知数的数目相等，从而得到安全系数的值。

2.1.2 毕肖普简化法

在极限平衡法理论运用到稳定性分析中并逐渐形成体系形成的过程中，各个学者提出过一系列简化计算方法^[6]，比如瑞典法、毕肖普简化法(1955)和陆军工程师团法等等。本文主要介绍与堤防稳定性分析有关的毕肖普简化法。1955年，毕肖普(Bishop)在瑞典法基础上提出了一种简化方法。这一方法仍然将滑裂面的形状定义圆弧形并采用力矩平衡条件来求解，但不用的是在确定土条底部法向力时，该法考虑了条间作用力在法线方向的贡献。以下为毕肖普简化法的原理：

（1）滑面形状：毕肖普简化法使用的是圆弧滑裂面

（2）对多余未知力的假定：该法假定X=0，或β=0，即土条两侧作用力均是水平的。

（3）建立垂直方向静力平衡方程，解得△W如图2.1。

(2-5)

再由整体对圆心的力矩平衡求解得到安全系数。

（2-6）

图2.1 边坡稳定分析简化方法

（4）安全系数计算公式：

（2-7）

按照以上理论使用毕肖普法计算安全系数，并通过迭代的思想求解。

2.2 渗流基本理论

通常所说的渗流就是指水在土地中的运动，但渗流是这样定义的：在土颗粒孔隙中的流体的运动统称为渗流^[7]。流体所包含的范畴十分广阔主要包括液体和气体，例如我们日常所用到的水就是液体、我们呼吸的空气就属于气体，它们都是属于流体。水具许多种形式和状态，在地底土颗粒和岩石的孔隙中通常水都是以四种形式存在，分别是毛细水、气态水、薄膜水和重力水。孔隙介质指的是地层中众多相互连通的裂隙或孔隙，它的内部是由小块状或小颗粒组成通常都被认为是岩层、土壤等。比较常见的孔隙介质是多孔介质和裂隙。如堤坝、水渠道边坡等建筑物就是孔隙介质构成的。

2.2.1 渗流的基本计算物理量

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