李炳陽(yáng)，楊旭亮

(1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；2.青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)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(jì)算的基本內(nèi)容，對(duì)水閘防滲排水設(shè)計(jì)起著重要支撐作用。在實(shí)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(yùn)動(dòng)的拉普拉斯方程難度很大，因而常采用一些近似且實(shí)用的方法，如改進(jìn)阻力系數(shù)法和流網(wǎng)法[1]。改進(jìn)阻力系數(shù)法系根據(jù)地下輪廓特點(diǎn)將整個(gè)滲流區(qū)域分成幾個(gè)典型流段，求解各個(gè)典型流段的阻力系數(shù)，進(jìn)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(jì)算精度滿足工程應(yīng)用要求，目前已經(jīng)被設(shè)計(jì)人員廣泛采用。但當(dāng)?shù)叵螺喞€復(fù)雜或閘下為多層地基土?xí)r，改進(jìn)阻力系數(shù)法存在計(jì)算過(guò)程繁瑣、費(fèi)時(shí)和適用性問(wèn)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(jì)算法進(jìn)行計(jì)算。在水閘滲流場(chǎng)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(yáng)壓力和水力坡降，研究閘底區(qū)域滲流流場(chǎng)的分布規(guī)律[3]；在水閘閘基滲流分析中采用改進(jìn)阻力系數(shù)法和Autobank軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析了數(shù)值方法計(jì)算結(jié)果的可靠性[4-5]。利用slide軟件對(duì)滲流作用下的土質(zhì)邊坡、尾礦壩等進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)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(duì)閘基穩(wěn)態(tài)滲流問(wèn)題進(jìn)行有限元分析，獲取地下輪廓各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)水頭和其水平段及出口段滲流坡降，并將此成果同改進(jìn)阻力系數(shù)法及Atutobank有限元分析法的計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)Slide軟件在閘基滲流分析中的應(yīng)用價(jià)值，以期為國(guó)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(zhǎng)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(duì)其進(jìn)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(jì)工況(P=5%)下過(guò)閘流量1 230 m3/s，校核工況(P=2%)下過(guò)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(yàn)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(jí)配不良細(xì)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(jí)配不良中砂。黃色，飽和，稍密，局部為細(xì)礫，斷續(xù)分布于①人工填土和②級(jí)配不良細(xì)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(jí)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(jí)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(jì)

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(jí)配不良中、粗砂層，按下式擬定閘下防滲輪廓線長(zhǎng)度。

L=CΔH

(1)

式中，L為閘下防滲輪廓線長(zhǎng)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(jì)算，攔河閘閘下防滲長(zhǎng)度應(yīng)不小于39.2 m。初步擬定攔河閘閘室底板長(zhǎng)15.0 m，上游側(cè)混凝土鋪蓋長(zhǎng)20.0 m，下游側(cè)鋼筋混凝土消力池水平不透水段長(zhǎng)6.5 m，則閘下防滲輪廓線總長(zhǎng)41.5 m，基本滿足防滲長(zhǎng)度要求。消力池后半段總長(zhǎng)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(jì)算

攔河閘地基砂性土級(jí)配不良，滲透穩(wěn)定性較差，應(yīng)對(duì)閘基滲流進(jìn)行計(jì)算，分析發(fā)生滲流破壞的可能性，以保證攔河閘長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)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(lái)分析土質(zhì)與巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)可作為獨(dú)立的有限元軟件進(jìn)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(wèn)題。通過(guò)建立閘基滲流計(jì)算模型并設(shè)定邊界條件，可求得整個(gè)滲流區(qū)域流場(chǎng)分布、滲流坡降、流速矢量等。符合達(dá)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(chǎng)，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(shí)際勘察的地質(zhì)剖面和攔河閘縱向布置，建立閘基滲流計(jì)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(chǎng)計(jì)算。

圖1 slide閘基滲流計(jì)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(shì)線，用戶也可以根據(jù)需要自定義其他要素。本次主要計(jì)算成果見(jiàn)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(jì)算成果滿足規(guī)范要求。

圖2 閘下滲壓等勢(shì)線(單位：m)

圖3 閘下水平滲流坡降等勢(shì)線

圖4 閘下豎向滲流坡降等勢(shì)線

2.2 改進(jìn)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(duì)不透水層，以粗砂層厚度作為地基實(shí)際透水層深度。閘基地下輪廓簡(jiǎn)化分成21段，各段阻力系數(shù)按以下公式計(jì)算[1]。

(3)

(4)

(5)

圖6 閘下水平滲流坡降等勢(shì)線

圖7 閘下豎向滲流坡降等勢(shì)線

式中，ξ0、ξy、ξz分別為進(jìn)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(zhǎng)度，m；S1、S2分別為進(jìn)出口段齒墻的入土深度，m。

依據(jù)上式逐段計(jì)算阻力系數(shù)和相應(yīng)的水頭損失，并對(duì)進(jìn)、出口段水頭損失值和滲透壓力分布圖形進(jìn)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(jiàn)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(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)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(jì)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(jìn)行攔河閘的滲流計(jì)算，主要計(jì)算結(jié)果如圖5～7。

圖5 閘下滲壓等勢(shì)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(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

將上述3種方法的主要成果進(jìn)行整理見(jiàn)表2。

表2 不同方法下閘基滲流計(jì)算成果

從表2可知，相同工況下3種方法計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算得到的滲流場(chǎng)分布基本無(wú)差別，閘基輪廓線上各滲流要素?cái)?shù)值均基本一致，說(shuō)明Slide軟件可以較好的進(jìn)行閘基滲流分析；改進(jìn)阻力系數(shù)法需要先對(duì)閘基地下輪廓進(jìn)行簡(jiǎn)化，再對(duì)實(shí)際透水層深度進(jìn)行分析確定，計(jì)算所得滲流數(shù)據(jù)較有限元法稍小，說(shuō)明采用有限元法進(jìn)行滲流計(jì)算分析是偏安全的，對(duì)工程設(shè)計(jì)和長(zhǎng)久運(yùn)行有利；此外，利用有限元軟件可快速建模計(jì)算，并可得到滲流場(chǎng)中任一點(diǎn)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(yǔ)

本文采用Slide軟件對(duì)某攔河閘閘下滲流問(wèn)題進(jìn)行有限元分析，將計(jì)算成果同改進(jìn)阻力系數(shù)法及Autobank有限元法的計(jì)算成果進(jìn)行綜合對(duì)比，相互驗(yàn)證，結(jié)果表明：

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

(2)有限元法計(jì)算成果較改進(jìn)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(jì)算效率高；且可獲得整個(gè)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(qiáng)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(gè)國(guó)家推廣采用，利用Slide有限元滲流分析不僅可以用于解決國(guó)內(nèi)大中型水閘復(fù)雜土質(zhì)地基的滲流計(jì)算問(wèn)題，也可用于解決國(guó)際項(xiàng)目中的類似問(wèn)題。