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        基于Autobank的湖西大堤采煤塌陷段滲流分析

        2023-02-02 09:27:46余金煌
        關(guān)鍵詞:湖西分力大堤

        段 超,余金煌

        (安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

        堤防工程是水利工程的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計(jì),約40%的堤防破壞是由滲流問(wèn)題引起的,滲流安全已成為影響堤防安全的主要因素,滲流安全分析成為堤防安全評(píng)價(jià)必不可少的一部分[1]。19世紀(jì),法國(guó)學(xué)者 Darcy 提出滲流理論,揭示了飽和土體中水的滲流速度和坡降呈線(xiàn)性關(guān)系[2]。之后,Zienkiewicz等[3]運(yùn)用復(fù)變函數(shù)及有限元法,進(jìn)一步研究了滲流理論。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為數(shù)值計(jì)算提供了支撐,有限元法在滲流分析中得到了較好的應(yīng)用。賈大周等[4]以有限元程序 GEO-STUDIO 中 SEEP/W 模塊作為主要計(jì)算工具,對(duì)桐柏縣病險(xiǎn)水庫(kù)水簾水庫(kù)溢流壩段進(jìn)行仿真模擬分析。楊旭等[5]利用SEEP /W 有限元軟件對(duì)不同滲透系數(shù)的CSG堤壩進(jìn)行了分析??茏匝骩6]以守口堡水庫(kù)工程為例,基于ADINA軟件對(duì)膠凝砂礫石壩進(jìn)行滲流分析。然而,ADINA、SEEP /W等有限元滲流分析軟件建模復(fù)雜,不能解決較有針對(duì)性的專(zhuān)業(yè)問(wèn)題。

        Autobank能較好地解決各向同性、各向異性、多層地基和復(fù)雜斷面情況下的滲流場(chǎng)分析問(wèn)題。本文以湖西大堤孔莊煤礦采煤塌陷段堤防工程為例,基于Autobank有限元軟件,在不同工況下對(duì)堤防進(jìn)行滲流計(jì)算,旨在為相似工程的堤防滲流計(jì)算提供參考,并為其堤防安全評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

        1 工程概況及工程地質(zhì)

        1.1 工程概況

        湖西大堤結(jié)合南四湖湖西京杭運(yùn)河,北起濟(jì)寧市西石佛老運(yùn)河口,南至江蘇省徐州市藺家壩船閘,全長(zhǎng)130.8 km??浊f礦區(qū)處于南四湖湖西大堤的范圍內(nèi),全長(zhǎng)3.3 km。因生產(chǎn)發(fā)展需要,2004—2006年,在灘南挖工莊河閘北、湖西堤下及附近回采多個(gè)工作面,可能造成湖西大堤和灘面塌陷下沉,給堤防的防汛安全帶來(lái)影響。

        堤防現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況:①堤身順直,迎、背水側(cè)坡面較平整;②堤頂路面無(wú)明顯裂縫,無(wú)明顯塌陷;③堤肩、堤腳處無(wú)明顯滲漏情況;④無(wú)其他異常情況。

        1.2 工程地質(zhì)

        湖西大堤地處濱湖堆積平原,為第四紀(jì)河湖相沖積物,土層自上而下為:①層素填土層,呈棕黃、褐黃、灰黃,局部為灰黑色,以粘土、重粘土、粉質(zhì)粘土為主,夾中、輕粉質(zhì)壤土;②層粘土層,呈棕黃、灰黃,局部為淺灰、黃灰色,局部為含腐殖質(zhì)及碎貝殼,軟塑~可塑狀態(tài),中壓縮性,厚度0.5~3.9 m;③層粉質(zhì)重粘土夾輕粉質(zhì)壤土層,呈黃灰色、淺灰、灰黃、灰色,夾輕粉質(zhì)壤土,含少量腐殖質(zhì)及碎貝殼,可塑狀態(tài),中壓縮性,該層普遍分位于場(chǎng)地區(qū),厚度為0.6~2.9 m;④層粉質(zhì)粘土層,頂部呈灰微夾黃色,漸變?yōu)榛尹S、黃夾灰色,含鐵錳質(zhì)結(jié)核,偶見(jiàn)小砂礓,可塑狀態(tài),中壓縮性,厚度為1.0~3.3 m。

        2 滲流計(jì)算

        2.1 計(jì)算斷面的選取

        由于湖西大堤斷面型式不相同,選取1個(gè)典型斷面進(jìn)行滲流計(jì)算分析,即樁號(hào)82+000。樁號(hào)82+000的典型斷面尺寸的實(shí)測(cè)值及設(shè)計(jì)值見(jiàn)表1。

        表1 樁號(hào)82+000的典型斷面尺寸的實(shí)測(cè)值及設(shè)計(jì)值

        2.2 滲流的基本方程

        不可壓縮流體在剛性介質(zhì)中流動(dòng)的連續(xù)性方程為:

        (1)

        將上述vx,vy,vz代入式(1)中,得到穩(wěn)定滲流基本微分方程:

        (2)

        當(dāng)各向滲透系數(shù)是常數(shù)時(shí),式(2)可化為:

        (3)

        當(dāng)kx=ky=kz時(shí),即土體為勻質(zhì)各向同性時(shí),式(3)就化為:

        (4)

        式(4)為拉普拉斯方程。

        2.3 計(jì)算參數(shù)

        根據(jù)歷史資料及類(lèi)似工程參數(shù)確定滲流計(jì)算參數(shù)[7],見(jiàn)表2。

        表2 滲流計(jì)算參數(shù)

        2.4 計(jì)算模型

        2.4.1計(jì)算范圍與約束

        按照實(shí)際地理位置選取堤防迎水側(cè),背水側(cè)取至離堤腳30 m以外,底部邊界取至高程為20 m處。兩端邊界條件為水平方向位移約束,豎直方向自由;下端基巖邊界為水平和豎直方向約束;坡面無(wú)約束,為自由面。

        2.4.2定義加載步

        為得到較真實(shí)的地基應(yīng)力,先計(jì)算地基(位移清零)。加載步0為地基重力;加載步1為壩體材料分區(qū);加載步2為運(yùn)行期的荷載步靜水壓力、淤沙壓力、揚(yáng)壓力。加載方式為從加載步0至加載步2逐級(jí)完成加載。

        2.4.3單元剖分

        采用三角形單元剖分,單元步長(zhǎng)為3 m。因堤腳處最易發(fā)生滲流問(wèn)題,所以對(duì)浸潤(rùn)線(xiàn)以下的背水坡、迎水坡堤腳處進(jìn)行加密劃分,單元步長(zhǎng)縮小至0.1 m。

        2.5 計(jì)算工況

        滲流計(jì)算選取2種工況。工況1:迎水側(cè)設(shè)計(jì)水位36.66 m至背水側(cè)相應(yīng)的水位(背水側(cè)平堤腳);工況2:迎水側(cè)水位由設(shè)計(jì)水位36.66 m驟降至常水位34.36 m。

        2.6 臨界滲透坡降

        根據(jù)文獻(xiàn)[1]中淹沒(méi)出滲坡面的臨界坡降計(jì)算。堤壩坡面的出滲示意圖如圖1所示。圖1展示了堤壩淹沒(méi)在水中的坡面BD附近的出滲流網(wǎng),流線(xiàn)或滲透力的方向與坡面BD正交,所以,可以把土體浮容重分解為垂直坡面和沿坡面方向的分力γ'1sinβ和γ'1cosβ,以分析坡面各點(diǎn)的穩(wěn)定性。

        圖1 堤壩坡面的出滲示意圖

        土料間的摩擦力和凝聚力沿滲流方向的分力分別為-γ'1sinβtgφ及-C。

        由力的極限平衡式:

        γJc-γ'1cosβ-γ'1sinβtgφ-C=0

        (5)

        可得臨界滲透坡降:

        (6)

        式(6)中,土力學(xué)指標(biāo)φ及C在所述滲流出口處的值一般小于試驗(yàn)方法所得到的值,tgφ約小1.5~2.0倍,C約小2~3倍。

        由土體浮容重沿坡面的分力與阻滑力的極限平衡式:

        γ'1sinβ=(γ'1cosβ-γJc)tgφ+C

        (7)

        可得臨界坡降:

        (8)

        式(7)~(8)中,β為坡面與水平面的夾角;γ'1cosβ為土體浮容重垂直坡面方向的分力;γ'1sinβ為土體浮容重沿坡面方向的分力;γJc為滲透力;φ為土粒內(nèi)摩擦角;tgφ為土的內(nèi)摩擦系數(shù);C為單位土體的粘聚力。

        比較式(6)和式(8)可知,土料沿坡面下滑的臨界出滲坡降遠(yuǎn)小于垂直坡面頂沖的臨界出滲坡降,因而用式(8)核算堤壩壩坡的局部滲流穩(wěn)定。結(jié)合地質(zhì)勘察資料及土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)[8],式(8)中tgφ及C的折減系數(shù)取1/3,計(jì)算得到臨界坡降[Jc]=0.33。

        2.7 計(jì)算成果

        不同工況下樁號(hào)82+000的滲流等勢(shì)線(xiàn)如圖2所示,其滲流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從圖2和表3可知,該計(jì)算斷面的浸潤(rùn)線(xiàn)較低,堤坡出逸點(diǎn)處的出逸坡降均小于土的臨界坡降,出逸點(diǎn)的高程較低,所以計(jì)算斷面的滲流流態(tài)較安全,且符合規(guī)范要求[9-10]。堤防運(yùn)行現(xiàn)狀較好,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)堤防散浸,說(shuō)明Autobank計(jì)算結(jié)果與堤防實(shí)際情況基本吻合,所以堤防計(jì)算斷面處的滲流沒(méi)有安全隱患。

        (a) 工況1

        (b) 工況2圖2 不同工況下樁號(hào)82+000的滲流等勢(shì)線(xiàn)

        表3 樁號(hào)82+000的滲流計(jì)算結(jié)果

        3 結(jié)論

        基于AutoBank有限元軟件,建立湖西大堤煤礦塌陷段堤防模型,根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果,綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查情況,選取堤防的1個(gè)典型計(jì)算斷面進(jìn)行滲流分析計(jì)算。考慮堤防的不利條件,分別對(duì)2種不同工況進(jìn)行滲流計(jì)算。根據(jù)Autobank滲流計(jì)算結(jié)果,2種不同工況下出逸點(diǎn)滲透坡降均小于臨界值,滲流安全符合規(guī)范要求。

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