夏俊江

(四川省清源工程咨詢有限公司，成都，610072)

水力計算

ABAQUS在閘壩三維滲流計算中的應(yīng)用

夏俊江

(四川省清源工程咨詢有限公司，成都，610072)

本文利用Abaqus軟件對某閘壩進(jìn)行三維滲流非線性有限元計算，得到了閘壩滲流場成果；通過后處理，得到了閘壩的等水頭線分布情況，基礎(chǔ)各部位的滲透水力梯度以及河床基礎(chǔ)和兩岸繞壩滲流的流量。

ABAQUS軟件 閘壩 三維滲流 滲透坡降 滲流流量

1 概述

Abaqus軟件被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的力學(xué)問題和模擬高度非線性問題。Abaqus軟件包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫，并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能。作為通用的模擬工具，Abaqus除了能解決大量結(jié)構(gòu)(應(yīng)力/位移)問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題。例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析(流體滲透/應(yīng)力耦合分析)及壓電介質(zhì)分析等。

在滲流計算方面，Abaqus能夠求解多孔介質(zhì)的飽和滲流、非飽和滲流及二者的混合問題(滲流自由面計算)。計算過程中可以考慮流體重力的作用，并能夠求解流體總體的孔隙壓力或超孔隙壓力，滲透定律可采用達(dá)西定律或更廣泛的非線性定律。本文對它在閘壩的三維非線性滲流計算中的應(yīng)用進(jìn)行評述。

2 三維滲流場計算基本理論

滲流連續(xù)方程是由同一時間流入土體的水量等于土體的體積變化量這一連續(xù)條件建立起來的，即：

式中，Vf為滲流平均速度，n為S面的外法線方向，方程采用流體的參照密度ρf0進(jìn)行無量綱化。

連續(xù)方程采用反向歐拉近似法進(jìn)行時間積分，用有限單元離散時，基本未知量為孔隙水壓力?？紫读黧w的滲流行為遵循Darcy定律或Forchheimer定律。Darcy定律一般適用于較低的滲流速度，而Forchheimer定律適用于較高的滲流速度，Darcy定律也可以認(rèn)為是Forchheimer定律的線性形式。

Forchheimer定律的表達(dá)式為：

式中，g為重力加速度，K(s,e)是土體滲透參數(shù)，β(e)是“速度系數(shù)”。當(dāng)β=0時，上式即為Darcy定律，因此可知，當(dāng)滲流速度趨于0時，F(xiàn)orchheimer定律轉(zhuǎn)化為Darcy定律。

土體的滲透性與其飽和度與孔隙率相關(guān)，我們假定上述兩個依賴關(guān)系是相互獨立的，對于三維情況統(tǒng)一有：

K=ksk

式中，ks(s)給出了飽和度對滲透性的影響，并有ks(1)=1，而k(e)為土體完全飽和時的滲透性。對于各向同性材料而言，k為標(biāo)量，但仍要寫成二階張量形式，即k=kI。

3 三維滲流場計算模型及參數(shù)

3.1 計算模型

三維滲流計算區(qū)域建模邊界條件為：上游邊界距壩軸線約85.0m，下游邊界距壩軸線約180.0m，底部邊界距壩頂約99.6m；壩軸線方向，左岸邊界距河道中心線約106.5m，右岸邊界距河道中心線約83.0m。

進(jìn)行三維實體建模時，考慮到本計算不涉及結(jié)構(gòu)內(nèi)部及地基應(yīng)力的計算，在不影響計算結(jié)果的前提下，為了提高滲流計算速度及精度，對壩體及基礎(chǔ)進(jìn)行了適當(dāng)簡化。

因不考慮滲流與應(yīng)力場的耦合，計算時選擇滲流/應(yīng)力藕合單元，并將單元x、y、z三個方向上的自由度進(jìn)行約束，對計算區(qū)域的網(wǎng)格剖分共計C3D8RP單元11386個，結(jié)點總數(shù)13125個。整體計算網(wǎng)格剖分如圖1所示。

圖1 某閘壩三維滲流計算整體網(wǎng)格

3.2 各部位滲透系數(shù)取值

計算區(qū)域各部位達(dá)西滲透系數(shù)采用值見表1。

表1 某閘壩三維滲流計算滲透系數(shù)

3.3 計算工況

某混凝土閘壩擬定的三維滲流計算工況見表2。

表2 某閘壩三維滲流計算工況

4 三維滲流場計算成果分析

4.1 等水頭線分布情況

根據(jù)滲流場計算結(jié)果，選取河道中心剖面(樁號K0+053.00m)及水平剖面(高程2830.00m)兩個典型剖面繪制各工況滲流等水頭分布云圖(圖2～圖5)。

圖2 工況1河道中心剖面(樁號K0+053.00m)等水頭分布云圖(單位：m)

圖3 工況1水平剖面(高程2830.00m)等水頭分布云圖(單位：m)

圖4 工況2河道中心剖面(樁號K0+053.00m)等水頭分布云圖(單位：m)

圖5 工況2水平剖面(高程2830.00m)等水頭分布云圖(單位：m)

4.2 滲透坡降

根據(jù)材料滲透強(qiáng)弱的不同，本計算選取混凝土防滲墻、灌漿帷幕及地基(①中細(xì)砂層，②含磦砂卵礫石層，③砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土層，④含磦砂卵礫石層)等部位繪制各工況下的滲透坡降云圖(圖6～圖11)。

圖6 工況1混凝土防滲墻滲透坡降分布云圖

圖7 工況1灌漿帷幕滲透坡降分布云圖

圖8 工況1④含磦砂卵礫石層滲透坡降分布云圖

圖9 工況2混凝土防滲墻滲透坡降分布云圖

圖10 工況2灌漿帷幕滲透坡降分布云圖

圖11 工況2④含磦砂卵礫石層滲透坡降分布云圖

防滲體及地基各部位的最大滲透坡降見表3。

表3 某閘壩三維滲流計算各部位最大滲透坡降

從表3可知，在各工況下，防滲墻底部及下游護(hù)坦出逸點滲透坡降均小于允許坡降，滿足工程相關(guān)要求。

4.3 壩基與兩岸滲流量

通過在分析步中選擇瞬態(tài)固結(jié)(transient-consolidation)流體響應(yīng)型式的*SOIL分析步，從輸出結(jié)果的場輸出中選中多孔介質(zhì)/流體→RVT來獲得滲流體積，即滲流流量的值。將壩基河床滲流與兩岸邊坡滲流區(qū)分開來，分別計算各工況下的滲流量，這樣能更加清楚地了解壩基滲流與兩岸壩肩繞壩滲流兩個方面的情況，然后累加各區(qū)的滲流量，得到各工況下總滲流量(見表4)。

表4 某閘壩三維滲流計算各工況滲流量(單位：m3/s)

由表4可知：(1)正常蓄水位(工況1)時，通過河床、左岸及右岸的滲流量分別點總的滲流量的88.5%、7.9%和3.6%，總的滲流量占枯期流量的0.86%<1%，滿足工程的相關(guān)要求；(2)在防滲墻出現(xiàn)開裂失效(工況2)的情況下，滲流量明顯增大，由0.203m3/s增大到0.473m3/s，增幅約232.7%，總的滲流量占枯期流量的2.01%>1%，不能滿足工程的相關(guān)要求。

5 結(jié)語

本文通過利用Abaqus軟件對閘壩進(jìn)行三維滲流計算，得到了等水頭線分布情況、滲透坡降及滲流流量成果；通過對結(jié)果的分析，能夠?qū)﹂l壩的滲透穩(wěn)定和滲流流量進(jìn)行判定，同時通過計算過程中探索得到的一些經(jīng)驗，對研究閘壩的滲流場也有一定的借鑒意義。

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