中小河流河道堤防施工渗透系数确定方法的探讨

叶万超

(沈阳利鑫土木工程有限责任公司，沈阳 110000)

0 前 言

当前，中小河流治理需要对河道堤防的渗透系数进行合理设定，从而提高中小河流施工过程中的稳定性[1]。传统方法大都采用数值模型模拟的方式进行渗透系数的推算，这种方式的优点在于可较为准确的实现不同河道堤防渗透系数的沿程分布，但缺点在于操作较为复杂，需要建立河道堤防的数学模型[2-4]。近些年来，河段堤防渗透系数采用物理模型的试验方式，这种方式的优点在于可以较好的贴合工程实际，但缺点在于需要较多的经费完成。近些年来，通过原位观测试验的方式，对河道堤防施工渗透系数进行确定，这种方式较为简单，且基本能符合中小河流工程实际，在许多地区中小河流河道堤防施工渗透系数的确定中得到应用，但在辽宁地区还未得到应用，为此文章分别结合物理模型和原位观测两种方式，对辽宁地区中小河流堤防施工中的渗透系数进行分析，探讨最优化的渗透系数确定方法，研究成果对于中小河流河道堤防施工渗透系数确定具有重要的参考价值。

1 研究方法

物理模型水流流体，设定为多孔传输的介质，河道堤防的渗透系数采用达西定律进行计算：

(1)

该渗透系数物理模型简化了传统统达西计算定律的计算方程：

(2)

式中：K为确定的河道堤防渗透系数，cm/s；J为水力学比降，%；h为计算水头，cm；S为水力半径，cm；r为容重值，kg/m3。渗透孔隙度计算方程为：

(3)

由方程：

(4)

水流阻力系数计算方程为：

(5)

式中：a和u分别为地质参数。非稳定渗透水流的计算方程为：

(6)

各方向渗透系数的参数为常数值，则方程可简化为：

(7)

若按照同一个方向进行渗透，则方程为：

(8)

式中：Z为渗透水流计算参数值。

2 研究实例

2.1 物理模型概况

物理模型试验由过度连接段、动床河段、稳水河段三个部分组成，总长为45m。验河槽动水段和过渡连接河段分别为30m和5m，采用长度为20cm的粗砂段将过渡连接河段与动水河床段进行连接，物理模型试验河段如图1所示。

图1 模式试验河段平面布置图

2.2 地质参数分析

采用物理模型放水试验的方式对渗透系数进行确定，首先结合原位观测试验方式对中小河流堤防施工不同试验断面的地质参数进行分析，如表1所示，结合各试验河段的地质参数，分别进行15组物理模型方式试验，对其渗透系数进行确地，渗透系数确定结果如表2所示。

表1 各试验河段地质参数

表2 渗透系数计算精度分析

从各试验河段的地质参数分析结果可看出，不同试验河段的地质参数和其地质特征具有较大的相关性，土层厚度越大的河段，且黏聚力和内摩擦力一般较大，而对于地质类型而言，砂土和粉砂土内摩擦角一般较大，对于各地质类型而言，素填土的内摩擦角一般较小，素填土的黏聚力较低[5-7]。从15组放水试验测定结果可看出，随着地质土厚增加，其渗透系数一般有所减小，采用物理模型结合原位观测的方式下，渗透系数计算值和试验测定的渗透系数之间的相对误差总体可控制在20%的设计标准误差的范围内，而绝对误差也可低于2.0×10-5cm/s，满足河道堤防施工渗透系数的计算要求，从15组放水试验的误差分布可看出，渗透系数计算值和试验测定值之间可具有较好的相关度，相关系数可在0.6以上，因此文章采用的物理模型结合原位观测的试验方式测定的渗透系数具有较好的设计精度[8-10]。

2.3 不同方法对比分析

结合15组放水试验测定的渗透系数，分别对传统方法和新方法下的渗透系数进行对比分析，从而确定较为优化的河道堤防施工渗透系数的方法，两种方法对比结果如表3所示。

表3 两种方法的渗透系数对比结果

续表3 两种方法的渗透系数对比结果

从两种方法的渗透系数对比结果可看出，采用新方法后可有效降低渗透系数的误差率，相比于传统方法，其渗透系数的测定误差可降低5%左右，且相关系数可提高0.2左右。这是因为新方法通过原位观测的试验方式对不同试验河段的地质参数进行有效测定，解决传统方法参数较难获取的难题，此外新方法结合物理模型的试验方式，通过放水试验，对不同放水量下的河道堤防施工渗透系数进行试验测定，这种方式较为贴合施工中小河流的实际情况，稳定性更好，使得新方法相比于传统方法，河道堤防施工的渗透系数得到一定程度的提升[11-13]。相比于传统数值模型方式，这种方法操作原理较为简单，且需要的参数较少，但不足在于需要建立物理模型，通过不同放水试验对其不同试验河段堤防的渗透系数进行测定。因此在一些工程造价较高的中小河流，这种方式较为适宜，通过建立原位观测试验河段的物理模型，分析不同放水流量对河道堤防施工渗透系数的影响，而传统采用数值模型的方式，需要确定不同河道的物理、地质参数，操作相对较为复杂。

3 结 论

1)土层厚度越大的河段，且黏聚力和内摩擦力一般较大，而对于地质类型而言，砂土和粉砂土内摩擦角一般较大，对于各地质类型而言，素填土的内摩擦角一般较小，素填土的黏聚力较低[14]。

2)采用物理模型结合原位观测的方式下，渗透系数计算值和试验测定的渗透系数之间的相对误差总体可控制在20%的设计标准误差的范围内，而绝对误差也可低于2.0×10-5cm/s，满足河道堤防施工渗透系数的计算要求。

3)采用物理模型结合原位观测的方式下。相比于传统方法，其渗透系数的测定误差可降低5%左右，且相关系数可提高0.2左右，操作原理较为简单，且需要的参数较少，但不足在于需要建立物理模型，因此在一些工程造价较高的中小河流，这种方式较为适宜[15]。