李炳陽，楊旭亮

(1.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024；2.青海民族大學土木與交通工程學院，青海 西寧 810007)

滲流區(qū)域內(nèi)的滲透壓力、滲透坡降、滲透流速及滲流量的求解，是土質(zhì)地基閘基滲流計算的基本內(nèi)容，對水閘防滲排水設(shè)計起著重要支撐作用。在實際工程中，閘基滲流區(qū)域的邊界條件通常較為復(fù)雜，解析求解閘基滲流運動的拉普拉斯方程難度很大，因而常采用一些近似且實用的方法，如改進阻力系數(shù)法和流網(wǎng)法[1]。改進阻力系數(shù)法系根據(jù)地下輪廓特點將整個滲流區(qū)域分成幾個典型流段，求解各個典型流段的阻力系數(shù)，進而算出任一流段的水頭損失、滲流壓力及其他滲流要素，由于不需要繪制流網(wǎng)，且計算精度滿足工程應(yīng)用要求，目前已經(jīng)被設(shè)計人員廣泛采用。但當?shù)叵螺喞€復(fù)雜或閘下為多層地基土時，改進阻力系數(shù)法存在計算過程繁瑣、費時和適用性問題。規(guī)范[2]指出，復(fù)雜土質(zhì)地基上的重要水閘，應(yīng)采用數(shù)值計算法進行計算。在水閘滲流場數(shù)值分析中建立飽和—非飽和滲流模型，利用有限元軟件分析兩種工況下水閘底板的揚壓力和水力坡降，研究閘底區(qū)域滲流流場的分布規(guī)律[3]；在水閘閘基滲流分析中采用改進阻力系數(shù)法和Autobank軟件進行計算，對比分析了數(shù)值方法計算結(jié)果的可靠性[4-5]。利用slide軟件對滲流作用下的土質(zhì)邊坡、尾礦壩等進行穩(wěn)定性計算[6- 8]，表明該有限元軟件可以較好地模擬地下水滲流作用。

基于以上考慮，結(jié)合黑龍江省某灌區(qū)渠首攔河閘重建工程，本次采用Rocsciencee公司研發(fā)的Slide軟件對閘基穩(wěn)態(tài)滲流問題進行有限元分析，獲取地下輪廓各關(guān)鍵節(jié)點水頭和其水平段及出口段滲流坡降，并將此成果同改進阻力系數(shù)法及Atutobank有限元分析法的計算成果進行對比分析，總結(jié)Slide軟件在閘基滲流分析中的應(yīng)用價值，以期為國內(nèi)、外同類工程滲流分析提供一種技術(shù)手段和參考。

1 工程概況

黑龍江省某灌區(qū)渠首樞紐位于拉林河干流五常段上，工程為閘壩結(jié)合形式，左側(cè)為310 m長堆石溢流壩，右側(cè)為鋼筋混凝土攔河閘(泄洪兼節(jié)制功能)。攔河閘由于年久失修遭受水毀，為保證灌區(qū)正常生產(chǎn)生活及河道沿線行洪安全，本次在原址對其進行拆除重建。經(jīng)綜合比選，攔河閘采用7孔布置，單孔凈寬為8 m，設(shè)計工況(P=5%)下過閘流量1 230 m3/s，校核工況(P=2%)下過閘流量1 400 m3/s，正常擋水位151.10 m，工程等別為Ⅲ等。

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)攔河閘工程區(qū)地質(zhì)鉆孔及試驗成果，本次勘察揭露的地層巖性及滲透性參數(shù)分層描述如下：①人工填土。主要以粘性土為主，層厚1.80～4.90 m。②級配不良細砂。黃色，稍濕～飽和，稍密，局部為中砂，分布于右岸地表人工填土下方，厚度1.4～2.0 m，層底高程147.66～147.77 m。③級配不良中砂。黃色，飽和，稍密，局部為細礫，斷續(xù)分布于①人工填土和②級配不良細砂之下，厚度1.4～4.6 m，層底高程141.38～148.04 m；滲透系數(shù)2.87×10-4cm/s。④級配不良粗砂。黃色～灰色，飽和、中密，連續(xù)分布于河底表層及③級配不良中砂之下，厚度2.4～7.1 m，層底高程139.21～142.34 m；滲透系數(shù)5.21×10-4cm/s，水平段允許滲流坡降0.15，出口段允許坡降0.40。⑤泥巖。深灰～灰綠色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，伏于第四系之下，頂面高程139.45～139.85 m；滲透系數(shù)1×10-7cm/s。

1.2 防滲排水設(shè)計

攔河閘閘室底板高程146.5 m，出口消力池底高程145.5 m，正常擋水工況上、下游最大水位差為5.6 m。水閘基底土層主要為級配不良中、粗砂層，按下式擬定閘下防滲輪廓線長度。

L=CΔH

(1)

式中，L為閘下防滲輪廓線長度，m；C為允許滲徑系數(shù)，本文取7；ΔH為上下游最大水位差，m。

經(jīng)計算，攔河閘閘下防滲長度應(yīng)不小于39.2 m。初步擬定攔河閘閘室底板長15.0 m，上游側(cè)混凝土鋪蓋長20.0 m，下游側(cè)鋼筋混凝土消力池水平不透水段長6.5 m，則閘下防滲輪廓線總長41.5 m，基本滿足防滲長度要求。消力池后半段總長8.0 m，考慮排水需要，梅花形布設(shè)De80排水孔，孔距1 m，底板下部設(shè)反濾層。

2 閘基滲流穩(wěn)定計算

攔河閘地基砂性土級配不良，滲透穩(wěn)定性較差，應(yīng)對閘基滲流進行計算，分析發(fā)生滲流破壞的可能性，以保證攔河閘長久穩(wěn)定運行。

2.1 Slide有限元法

Slide軟件是一款全球著名的巖土工程分析軟件，可采用極限平衡法來分析土質(zhì)與巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，同時可作為獨立的有限元軟件進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)滲流分析，兩者亦可耦合使用求解涉水邊坡的滲流穩(wěn)定問題。通過建立閘基滲流計算模型并設(shè)定邊界條件，可求得整個滲流區(qū)域流場分布、滲流坡降、流速矢量等。符合達西定律和連續(xù)性方程的非均勻各向異性二維穩(wěn)態(tài)滲流場，總水頭函數(shù)滿足以下微分方程[1]

(2)

式中，H為總水頭；kx為x方向的滲透系數(shù)；ky為y方向的滲透系數(shù)；Q為流量。

根據(jù)實際勘察的地質(zhì)剖面和攔河閘縱向布置，建立閘基滲流計算模型如圖1所示，地基深度方向取3倍的擋水高度。將模型分區(qū)賦予相應(yīng)的材料屬性，設(shè)置網(wǎng)格尺寸完成有限元離散，指定好水頭及逸出邊界條件后，軟件便可快速完成滲流場計算。

圖1 slide閘基滲流計算模型

在后處理中查看總水頭、壓力水頭、滲流坡降等云圖及等勢線，用戶也可以根據(jù)需要自定義其他要素。本次主要計算成果見圖2～4。

由圖2～4可知，Slide有限元分析法得到的閘基水平段滲流坡降為0.093，出口段滲流坡降為0.156，均小于地基土的允許坡降，閘基滲流穩(wěn)定計算成果滿足規(guī)范要求。

圖2 閘下滲壓等勢線(單位：m)

圖3 閘下水平滲流坡降等勢線

圖4 閘下豎向滲流坡降等勢線

2.2 改進阻力系數(shù)法

攔河閘下地基巖土主要為粗砂和泥巖，泥巖層透水性較差可視為相對不透水層，以粗砂層厚度作為地基實際透水層深度。閘基地下輪廓簡化分成21段，各段阻力系數(shù)按以下公式計算[1]。

(3)

(4)

(5)

圖6 閘下水平滲流坡降等勢線

圖7 閘下豎向滲流坡降等勢線

式中，ξ0、ξy、ξz分別為進出口段、內(nèi)部垂直段和水平段的阻力系數(shù)；S為齒墻入土深度，m；T為地基透水層深度，m；Lx為水平段長度，m；S1、S2分別為進出口段齒墻的入土深度，m。

依據(jù)上式逐段計算阻力系數(shù)和相應(yīng)的水頭損失，并對進、出口段水頭損失值和滲透壓力分布圖形進行局部修正，依次求得閘基水平段和出口段的滲流坡降，結(jié)果見表1。

表1 閘基水平段和出口段的滲流坡降

由表1可知，改進阻力系數(shù)法計得的閘基水平段滲流坡降為0.085，出口段滲流坡降為0.151，均小于地基土的允許坡降，閘基滲流穩(wěn)定滿足要求。

2.3 Autobank有限元法

采用Autobank軟件建立有限元計算模型(同Slide模型一致)，添加材料屬性、完成網(wǎng)格劃分，設(shè)定好邊界條件后進行攔河閘的滲流計算，主要計算結(jié)果如圖5～7。

圖5 閘下滲壓等勢線(單位：m)

由圖5～7可知，Autobank有限元分析法得到閘基水平段的滲流坡降為0.093，出口段的滲流坡降為0.153，均小于地基土的允許坡降，閘基滲流穩(wěn)定符合要求。

3 計算結(jié)果對比分析

將上述3種方法的主要成果進行整理見表2。

表2 不同方法下閘基滲流計算成果

從表2可知，相同工況下3種方法計算得到的水頭損失和滲流坡降值差別不大。結(jié)合圖2～4和圖5～7計算結(jié)果，Slide和Autobank作為兩款有限元滲流分析軟件，依據(jù)的計算原理相同，且可設(shè)定大體相同的網(wǎng)格劃分精度，因而計算得到的滲流場分布基本無差別，閘基輪廓線上各滲流要素數(shù)值均基本一致，說明Slide軟件可以較好的進行閘基滲流分析；改進阻力系數(shù)法需要先對閘基地下輪廓進行簡化，再對實際透水層深度進行分析確定，計算所得滲流數(shù)據(jù)較有限元法稍小，說明采用有限元法進行滲流計算分析是偏安全的，對工程設(shè)計和長久運行有利；此外，利用有限元軟件可快速建模計算，并可得到滲流場中任一點的滲流要素值、等值線，結(jié)果更為直觀、全面，且不受地基土層數(shù)、各向異性及是否水平成層的限制。

4 結(jié) 語

本文采用Slide軟件對某攔河閘閘下滲流問題進行有限元分析，將計算成果同改進阻力系數(shù)法及Autobank有限元法的計算成果進行綜合對比，相互驗證，結(jié)果表明：

(1)3種方法下閘基滲流計算成果較為一致，且Slide同Autobank計算結(jié)果幾近相同，說明Slide軟件可較好解決水閘滲流計算問題，成果可靠。

(2)有限元法計算成果較改進阻力系數(shù)法偏安全，適用于地基土層各向異性及地下輪廓復(fù)雜的情況，建模方便、計算效率高；且可獲得整個滲流區(qū)域內(nèi)滲流要素的分布，輸出云圖、等值線圖和矢量圖等多類成果，Slide后處理功能強大，成果展示更為全面、直觀。

(3)作為一款全球著名的巖土分析軟件，Slide已被幾十個國家推廣采用，利用Slide有限元滲流分析不僅可以用于解決國內(nèi)大中型水閘復(fù)雜土質(zhì)地基的滲流計算問題，也可用于解決國際項目中的類似問題。