李 益，高 健，王穎聰，宋平平，張 凱

(1.南京市滁河河道管理處，江蘇 南京 210048；2. 南京市浦口區(qū)水利工程管理服務(wù)站，江蘇 南京 211800；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

基于改進排水子結(jié)構(gòu)法的堤防排水管幕研究

李 益1，高 健1，王穎聰2，宋平平1，張 凱3

(1.南京市滁河河道管理處，江蘇 南京 210048；2. 南京市浦口區(qū)水利工程管理服務(wù)站，江蘇 南京 211800；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

堤防工程滲流問題是水利工程建設(shè)中的重點、難點問題，選擇合理有效的排水管幕方案能有效解決此類問題。為此，本文采用改進排水子結(jié)構(gòu)法并運用程序?qū)崿F(xiàn)對某堤防工程排水管幕的模擬，通過建立三維有限元模型模擬考慮排水管幕的岸坡結(jié)構(gòu)，對岸坡浸潤面形態(tài)以及排水效果進行綜合評價分析，在此基礎(chǔ)上考慮經(jīng)濟以及排水效果等因素提出相應(yīng)的工程排水管幕布置方案，最終確立排水管幕雙排布置間距15 m作為該工程最優(yōu)方案，并已運用于該工程除險加固中，取得良好的效果。研究結(jié)果論證了改進排水子結(jié)構(gòu)法在堤防工程滲流分析中的合理性和優(yōu)越性，同時也可為相關(guān)工程的滲流問題解決提供思路及技術(shù)支持。

改進排水子結(jié)構(gòu)法；三維滲流場模擬；數(shù)值模擬；排水管幕

近年來，各地加強了病險堤防工程的除險加固力度，然而由于堤防工程工作條件惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜，堤防工程滲透變形、沉降變形、沙土液化等地質(zhì)問題突出，堤岸崩塌、滑坡、潰口等工程事故頻發(fā)。如何準(zhǔn)確掌握并解決堤防工程滲流問題，對于鑒定堤防工程安全工作狀態(tài)，并進行除險加固具有十分重要的意義。排水孔、排水管幕等排水設(shè)施能有效降低土體滲流壓力，在大壩、堤防邊坡、地下洞室結(jié)構(gòu)等工程中應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)有研究中，針對排水管幕的模擬方法主要有：以點代孔法、邊界元法、等效桿單元法、雜交元法、排水子結(jié)構(gòu)法、改進排水子結(jié)構(gòu)法、空氣單元法、復(fù)合單元法等。其中，改進排水子結(jié)構(gòu)法[1-4]因其可通過加密排水管周邊單元網(wǎng)格而不影響初始網(wǎng)格建立，并具有適應(yīng)排水管附近水力梯度大等特點，可有效解決有排水管幕的工程滲流問題。本文采用改進的排水子結(jié)構(gòu)法對某堤防工程排水管幕進行模擬，并基于模擬結(jié)果提出經(jīng)濟有效的排水管幕布置方案。

1 研究方法

1.1 改進排水子結(jié)構(gòu)法的基本原理

排水子結(jié)構(gòu)算法實質(zhì)上是先將子結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點向外部節(jié)點凝聚，在計算中，先將排水子結(jié)構(gòu)當(dāng)成一個超單元，通過整體傳導(dǎo)矩陣和已知邊界條件計算得到外部節(jié)點的初始水頭。對子結(jié)構(gòu)中的單元分析，可求得子結(jié)構(gòu)內(nèi)其他未知節(jié)點的節(jié)點水頭，然后再通過外部節(jié)點的回代，修正非子結(jié)構(gòu)單元的節(jié)點水頭。通過不斷迭代，從而求得完整計算域全部滲流場水頭分布。

如圖1所示，網(wǎng)格中節(jié)點13-14-15-16構(gòu)成的整體就是一個排水子結(jié)構(gòu)。其中，節(jié)點13、14、15、16為外部節(jié)點，其余帶編號的為內(nèi)部節(jié)點。節(jié)點9-10-11-12構(gòu)成一個排水管，一般假定9-12節(jié)點為已知水頭節(jié)點。常規(guī)排水子結(jié)構(gòu)法通過計算單元總體傳導(dǎo)矩陣和相應(yīng)流量列陣，即可求得子結(jié)構(gòu)內(nèi)其他未知節(jié)點的節(jié)點水頭，然后再通過外部節(jié)點的回代，即可求得完整計算域內(nèi)滲流場水頭分布。

圖1 排水子結(jié)構(gòu)示意圖

排水子結(jié)構(gòu)法基本解決了當(dāng)排水管不穿過滲流自由面時滲流場問題。然而，當(dāng)排水管穿過自由面，排水子結(jié)構(gòu)內(nèi)部將出現(xiàn)滲流虛域及虛單元，則會產(chǎn)生較大的誤差。

改進的排水子結(jié)構(gòu)法[1-2]，通過采用結(jié)點虛流量法對滲流實域、滲流虛域和過渡單元問題進行解決，可有效解決子結(jié)構(gòu)法中的誤差問題。

排水孔內(nèi)邊界面在滲流場中可能為逸出面也可能為排水面。根據(jù)排水孔滲流行為分為：排水孔穿過自由面；排水孔與自由面不相交。若排水孔穿過自由面，則其內(nèi)邊界面上三種滲流行為如圖2所示。

圖2 邊界示意圖

(1)在滲流自由面以上的孔段ab或a′b′位于滲流虛域內(nèi)，實為不排水邊界，張量表達(dá)式為：Σ?iH·kij·ni=0。且在結(jié)點虛流量法求解中保證：H

(2)bc或b′c′段為滲流逸出面：Σ?iH·kij·ni≤0，H=Z。

(3)位于排水孔內(nèi)水位Z0以下的cd或c′d′段為已知水頭面，其中H=Z0。

當(dāng)排水孔與自由面不相交時，排水孔可能位于自由面上方，此時無排水降壓的作用；或位于自由面下方，此時排水孔的滲流行為按照(2)與(3)中分段表達(dá)。

1.2 改進排水子結(jié)構(gòu)的程序?qū)崿F(xiàn)

首先需對排水管進行二次剖分，需準(zhǔn)備排水管超單元文件。文件中包含超單元單元號、單元節(jié)點及材料信息。圖3是一個單元的標(biāo)準(zhǔn)編號，節(jié)點編號的順序為自上而下逆時針。其中，節(jié)點1-4-8-5所在面為1號面，對面為2號面；節(jié)點1-2-6-5所在面為3號面，對面為4號面；節(jié)點1-2-3-4所在面為5號面，對面為6號面。根據(jù)排水管剖分方向，剖分形式分為六種類型。類型一：剖空面位于5、6號面，排孔方向沿著4-1邊方向；類型二：剖空面位于5、6號面，排孔方向沿著1-2邊對應(yīng)的方向；類型三：剖空面位于1、2號面，排孔方向沿著1-5邊對應(yīng)方向；類型四：剖空面位于1、2號面，排孔方向沿著1-2邊方向；類型五：剖空面位于3、4號面，排孔方向沿著1-2邊方向；類型六：剖空面位于3、4號面，排孔方向沿著1-5邊方向。

圖3單元標(biāo)準(zhǔn)編號

通過程序內(nèi)部搜索，將排水子結(jié)構(gòu)超單元和連續(xù)單元串聯(lián)起來，對超單元和連續(xù)單元二次剖分，計算新增節(jié)點坐標(biāo)，對生成的新數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，消除重結(jié)點即可生成新的網(wǎng)格文件和排水管數(shù)據(jù)文件。這兩個文件可直接作為三維滲流場有限元計算程序的準(zhǔn)備文件。隨后依據(jù)邊界條件生成初始滲流場，通過迭代，生成最終的滲流場。其中所涉及的排水孔二次剖分程序以及穩(wěn)定滲流場有限元計算程序流程分別如圖4、圖5所示。

圖5 滲流場有限元計算程序流程圖

2 案例計算及分析

2.1 工程簡介

某河流位于江淮之間，系長江下游左岸一級支流，干流全長269 km，流域面積8000 km2。某堤防工程是該河流治理工程之一，全長13.6 km，是減輕沿途城市、區(qū)縣、圩區(qū)洪水壓力，保障沿河區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展、企業(yè)正常生產(chǎn)生活、群眾生命財產(chǎn)安全的重要設(shè)施。由于該工程運行時期地下水位較高，為此擬采用埋設(shè)排水管(如圖6)的工程措施降低地下水位，其中所擬定的排水管鋪設(shè)方案如表1所示。

表1 排水管計算方案表

圖6 水平排水管斷面布置圖

2.2 計算模型及參數(shù)選定

為方便對比分析排水管排水效果，對計算模型進行了簡化處理，將岸坡填土視為均一土體，基礎(chǔ)亦視為均一土體。模型初始剖分時預(yù)留了排水管位置，模型見圖7。模型全部采用六面體等參單元，共計剖分13 750個單元，15 828個節(jié)點。模型中橫河向兩端面及底面假定無流量進出，設(shè)置為不透水邊界，岸坡設(shè)置為可能溢出邊界，順河向端面設(shè)置為定水頭邊界，而排水管幕內(nèi)邊界面的邊界形式參考1.1節(jié)中邊界設(shè)置。

圖7 有限元網(wǎng)格圖

河道內(nèi)水位取相應(yīng)南京潮位8.86 m，岸坡后水位取平均地下水位28.50 m。參考地勘資料，確定均一化后岸坡填土滲透系數(shù)為1×10-5cm/s，堤基填土滲透系數(shù)為5×10-6cm/s。

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 浸潤面形態(tài)分析

為研究單排與雙排排水管對工程浸潤面形態(tài)的影響，通過模擬各計算方案下順河向及橫河向浸潤面分布圖，數(shù)值模擬結(jié)果如圖8～10所示。

由圖8～10可知，順河向浸潤面整體呈波浪狀分布，在各排水管位置處浸潤面位于波浪狀的低處，在兩排水管中間位置處浸潤面位于波浪狀的高處。單排排水管橫河向浸潤面在排水管端部跌落至排水管內(nèi)部，自排水管下部形成出溢；雙排排水管橫河向浸潤面在兩排排水管內(nèi)形成兩次跌落后自下排排水管下部出溢，且對于雙排排水管，浸潤面出溢高程主要受其中最低高程位置的排水管影響。

2.3.2 排水效果評價

從排水效果角度進行方案的甄選，各間距下順河向及橫河向等水頭線分布如圖11～13所示。水頭等值線在排水管位置呈環(huán)狀分布，由四周向孔內(nèi)逐漸降低，表明排水管起到了很好的降低水頭作用。相同間距下，排水管布置越低，水頭的降低效果越明顯。單排排水管在10.0 m高程布置，排水管端部水頭約為17.0 m，而14.5 m高程排水管端部水頭約為21.5 m。此外，水頭等值線在排水管前分布較排水管后密，表明岸坡地下水迅速匯流至排水管中，排水管起到了很好的匯流作用。在排水管端部附近等水頭線呈彎曲狀，表明此部位形成環(huán)狀滲流場。

由各高程排水管在不同間距下的浸潤面對比圖(圖14)可知：設(shè)置排水管后能顯著降低岸坡內(nèi)浸潤線，且排水管高程設(shè)置越低，降低效果越明顯；此外排水管間距對浸潤面降低也有一定影響，排水管設(shè)置越高，間距減小對浸潤面的降低效果越明顯，而雙排布置的水頭降低效果與其中高程最低的單排布置的水頭降低效果基本一致。

2.4 方案選擇

通過對浸潤面形態(tài)以及排水效果的分析，本工程擬采用雙排布置形式，而對于排水管布置間距的選擇涉及經(jīng)濟以及排水效果的擇優(yōu)。對于(1)情況，15 m、20 m、25 m間距下浸潤面最高點分別為17.5 m、17.9 m、18.1 m；對于(2)情況，則分別為22.8 m、22.8 m、23.6 m，而對于(3)情況，其規(guī)律與(1)情況相近，因此，可選擇排水管間距在15～20 m間。其中方案選擇原則如下：

圖8 間距15 m下順(左列)、橫(右列)向斷面浸潤面分布圖

圖9 間距20 m下順(左列)、橫(右列)向斷面浸潤面分布圖

圖10 間距25 m下順(左列)、橫(右列)向斷面浸潤面分布圖

圖11 間距15 m下順(左列)、橫(右列)河向斷面等水頭線分布圖

圖13 間距25 m下順(左列)、橫(右列)河向斷面等水頭線分布圖

圖14 同高程不同間距排水管降低浸潤面效果對比

(1)若注重于排水效果，可選擇雙排且間距為15 m。

(2)若注重排水效果兼顧經(jīng)濟，可選擇雙排且間距為20 m。

(3)若注重經(jīng)濟且兼顧排水效果，可選擇單排(排水管高程10.0 m)，且間距為15 m。

以上方案均能滿足工程實際運行要求，并保證工程的安全運行與效益的發(fā)揮。

3 結(jié) 論

本文采用改進子結(jié)構(gòu)法對堤防工程的岸坡三維滲流場進行數(shù)值模擬，通過對岸坡結(jié)構(gòu)進行三維建模，對岸坡浸潤面形態(tài)以及排水效果進行評價分析，并考慮排水效果以及經(jīng)濟的因素，以此得到相應(yīng)的排水管幕布置方案。所確定的布置方案均能滿足工程實際運行要求，且工程除險加固中已采用2.4中情況(1)，并在實際施工中得到良好的效果驗證。由此說明本文采用的基于改進排水子結(jié)構(gòu)法的排水管幕方案的選擇是合理有效的。

[1] 朱岳明,陳振雷,吳愔，等.改進排水子結(jié)構(gòu)法求解地下廠房洞室群區(qū)的復(fù)雜滲流場[J].水利學(xué)報,1996(9):79-85.

[2] 朱岳明,張燎軍.滲流場求解的改進排水子結(jié)構(gòu)法[J].巖土工程學(xué)報,1997,19(2):69-76.

[3] 周桂云,李同春.滲流場排水子結(jié)構(gòu)法有限元分析的局部非協(xié)調(diào)網(wǎng)格解法[J].水利水電科技進展,2007,27(2):26-29.

[4] 范磊,姜海霞.排水子結(jié)構(gòu)統(tǒng)一建模方法及其與ABAQUS集成[J].水電能源科學(xué),2010,28(6):52-55.

Study on drain curtain in embankment engineering with the technique of improved drainage substructure

LI Yi1，GAO Jian1，WANG Yingcong2，SONG Pingping1，ZHANG Kai3

(1.Management Division of Chuhe-river of Nanjing,Nanjing 210048,China；2.Nanjing Pukou District Water Conservancy Project Management Service Station,Nanjing 211800, China；3.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029,China)

Seepage field problems has been the focus of the hydraulic engineering construction, therefore, choosing the effective layout scheme can be the solution to it. The simulation of the drain curtain, based on the technique of improved drainage substructure, can be used to analyse the form of seepage face and the effect of drainage on this dissertation. On account of the analysis process，the layout scheme, whose tube pitch is 15m in double storey layout, are concluded while considering the factor of economy and drainage effectiveness. Consequently, the scheme are practical apply in the reservoir consolidating and de-danger engineering, which verify the rationality of the simulation and technique. Furthermore, the technique and procedure of this simulation can be a reference to the similar problems.

technique of improved drainage substructure; simulation of the three-dimensional seepage；numerical simulation；drain curtain

水利部公益性行業(yè)科研專項(20150133)

李 益(1986-)，男，江蘇連云港人，工程師，主要從事工程結(jié)構(gòu)分析與安全評價工作。E-mail:yi_117@126.com。

TV871

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2096-0506(2017)07-0017-09