不同成因洪水位下交汇处堤防的渗流特性对比分析

　　山区性河流交汇处的洪水可能由干、 支流上游分别或同时遭遇暴雨引起。 由于干、支流水流的相互影响， 不同洪水成因下河流交汇处设计洪水位不同， 导致相应设计洪水位下交汇处堤防的渗透特性不同。 因此，揭示不同成因洪水下交汇处设计洪水位的差异及相应洪水位下堤防渗流特性变化规律，确定不同成因洪水下最危险堤防部位，对抗洪抢时突出重点防护区、 保证堤防安全有重要现实意义。

　　目前对交汇河流主要偏向于研究交汇处河流的水力特性， 对交汇处堤防渗透特性的研究还不多见。 譬如，兰波、汪勇研究了交汇角对干支流交汇水面形态特征的影响[1]；王晓刚对汇流口水流水力特性进行综合研究，分析了汇流角、汇流比、河床高差、宽深比等对雍水规律的影响[2]；侯志 强 等探讨了支流入汇对干流的影响， 得出不同汇流比情况下干流水位变化规律[3]；茅 泽 育 、罗昇 等 对 河流交汇口流动的各种影响因素进行了量纲分析，分析结果与实验结果相吻合[4]；茅 泽 育 、赵 升 伟 等研究了支流汇入主流后， 交汇口水流分离区形状和尺寸的变化规律[5]；张海旭研究了水位涨落下交汇处堤防抗滑稳定性， 但对堤防渗流特性的研究还不深入[6]。 因此，本文依托忆马溪流域双河口交汇段河流堤防工程， 推求不同成因洪水下交汇处设计洪水位， 运用有限元软件对相应洪水位下交汇处堤防的渗流特性进行对比分析， 确定不同成因洪水位下堤防最危险部位， 以期为交汇处堤防遭遇不同成因洪水时的抗洪抢险提供参考依据。

　　1 工程概况

　　忆马溪流域总面积 361km2， 干 流 忆马 溪 长67km，支流来溪长 14km，干支流交汇于双河口处。

　　该流域河床高程为 125―135m。 堤防顶部高程为130―145m，高 5m 左右，宽 1.8m，迎水面和背水面堤防坡比分别为 1:1.27 和 1:1.26。 堤身采用人工堆积粉质粘土填筑，渗透系数为 2.19×10-4cm/s，堤基为第四系粉质粘土，渗透系数为 4.0×10-5cm/s。忆马溪流域双河口交汇处平面示意图见图 1，堤防典型剖面图见图 2。【1-2】

　　
　　2 洪水位及水深分析

　　为研究不同成因洪水下交汇处堤防的渗流特性，以干、支流正常流量分别为 36m3/s 和 28m3/s 时为基准，干、支流上游分别或同时遭遇 10 年一遇设计洪水等三种洪水工况为例， 推求忆马溪流域双河口交汇处水位和水深。 河流交汇处三种洪水工况如下：

　　（1）工 况一 ：支 流 上 游 遭 遇 10 年 一 遇 设 计 洪水，干流流量不变，（干流流量 36m3/s，支流洪 峰流量 89m3/s）。

　　（2）工 况 二 ：干 流 上 游 遭 遇 10 年 一 遇 设 计 洪水，支流流量不变（干流洪峰流量 102m3/s，支 流流量 28m3/s）。

　　（3）工况三：干、支流上游同时遭遇 10 年一遇设计洪水 （干流洪峰流量 102m3/s， 支流洪峰流量89m3/s）。

　　根据伯努利方程推求三种洪水工况下交汇处不同特征剖面的水位及水深，计算结果见表 1。

　　由表 1 可知， 三种工况下， 河流水位沿程递减，水深在干、支流上游基本不变，汇流后先增大后减小，最后保持稳定，且汇流后水深较干、支流大。 工况一情况下，干流水位、水深高于支流，且水深在出口处达到极大值；工况二、三情况下干、支流水位、水深大小相反，支流水位、水深高于干流，且水深在出口处达到极大值。
　　
　　3 渗流特性分析

　　根据上节推求的三种不同成因洪水对应设计洪水位， 分别选取 Y+000―Y+450、L+000―L+250之间间隔 50m 的典型横剖面堤防进行渗流场有限元仿真模拟， 对比三种洪水工况下堤防的渗流特性。 有限元网格模型共有网格 2 011 个， 节点2093 个，边界条件定为：堤防迎水面和河底为总水头边界，背水面为溢出边界，其它为零流量边界。

　　通过计算，得到干流、支流和汇流各河段堤防上述典型剖面位置迎水面特征点的孔隙水压力分布曲线（见图 3―图 5）和相应剖面最大渗透比降表（见表 2）。

　　由上图可知，三种工况下，孔隙水压力在干、支流上游堤防段基本相等， 在汇流段先增加后减小，最后在下游保持稳定。 工况一情况下，干流上游段孔隙水压力大于支流段， 出口处孔隙水压力达到极大值；工况二、工况三情况下，支流孔隙水压力较大， 且工况三情况下干支流孔隙水压力相差较大。

　　由表 2 可知，在遭遇不同成因的洪水时，交汇处堤防最大渗透比降剖面位置分别如下： 工况一情况下，干流出口处堤防渗透比降最大，最易发生渗透破坏；工况二、工况三情况下，支流出口处堤防最易发生渗透破坏。
　　
　　4 结语

　　干、 支流上游分别或同时遭遇暴雨时都会在河流交汇处产生洪水， 但不同洪水成因导致交汇处洪水位不同，从而堤防渗流特性也不相同。 为揭示不同成因洪水位下河流交汇处堤防渗流特性的差异，依托忆马溪流域双河口交汇河段，对比干、支流分别或同时遭遇 10 年一遇洪水时交汇处河流的设计洪水位、 堤防孔隙水压力和渗透坡降等指标，得出如下结论：

　　1） 支流上游遭遇 10 年一遇洪水时， 干流水位、 水深高于支流； 水深在干支流上游段沿呈不变，汇流后先增大后回落，最终保持稳定；干流上游段孔隙水压力大于支流段， 孔压在出口处达到极大值；干流出口处渗透比降最大，最易发生渗透破坏。

　　2） 干流上游遭 遇或干支流 上游同 时 遭 遇 10年一遇洪水时，支流水位、水深高于干流；水深在干支流上游沿呈不变， 汇流后先增大后减小最后趋于稳定，其中工况三情况下水深增加值较大；支流段孔隙水压力大于干流上游段； 支流出口处最易发生渗透破坏。

　　3）本文通过对比三种不同工况下交汇处堤防的渗透特性，总结出堤防渗透特性的变化规律，对堤防的防渗和抗洪抢险具有借鉴意义。

　　参考文献：

　　[1]兰 波 ，汪勇.干支 流 交汇 水面 形 态 特 性分析[J].重 庆 交 通学院学报，1997(4):109-114.
　　[2]王晓刚，严忠民.Y型汇流口雍水规律研究[J].河海大学学报(自然科学版)，2008，36(2):185-188.
　　[3]侯志 强 ，王义 安 ，陈 一 梅.支 流 入 汇 对 干 流 航 道影响分析[J].现 代交通技术，2006(04):70-73.
　　[4]茅泽育，罗昇，赵升伟，等.等宽明渠交汇口水流一维数学模型[J].水利学报，2004(8):26-32.
　　[5]茅泽育，赵升伟，罗昇，等.明渠交汇口水流分离区研究[J].水科学进展，2005，16(1):8-12.
　　[6]张海旭.水位涨落情况下干支流交汇处堤防稳定性分析[D].长沙:长沙理工大学，2012.