Slide軟件在水閘滲流計算中的應用及分析

李炳陽，楊旭亮

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

滲流區域內的滲透壓力、滲透坡降、滲透流速及滲流量的求解，是土質地基閘基滲流計算的基本內容，對水閘防滲排水設計起著重要支撐作用。在實際工程中，閘基滲流區域的邊界條件通常較為復雜，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，如改進阻力系數法和流網法[1]。改進阻力系數法系根據地下輪廓特點將整個滲流區域分成幾個典型流段，求解各個典型流段的阻力系數，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，且計算精度滿足工程應用要求，目前已經被設計人員廣泛采用。但當地下輪廓線復雜或閘下為多層地基土時，改進阻力系數法存在計算過程繁瑣、費時和適用性問題。規范[2]指出，復雜土質地基上的重要水閘，應采用數值計算法進行計算。在水閘滲流場數值分析中建立飽和—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，研究閘底區域滲流流場的分布規律[3]；在水閘閘基滲流分析中采用改進阻力系數法和Autobank軟件進行計算，對比分析了數值方法計算結果的可靠性[4-5]。利用slide軟件對滲流作用下的土質邊坡、尾礦壩等進行穩定性計算[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，結合黑龍江省某灌區渠首攔河閘重建工程，本次采用Rocsciencee公司研發的Slide軟件對閘基穩態滲流問題進行有限元分析，獲取地下輪廓各關鍵節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法及Atutobank有限元分析法的計算成果進行對比分析，總結Slide軟件在閘基滲流分析中的應用價值，以期為國內、外同類工程滲流分析提供一種技術手段和參考。

1 工程概況

黑龍江省某灌區渠首樞紐位于拉林河干流五常段上，工程為閘壩結合形式，左側為310 m長堆石溢流壩，右側為鋼筋混凝土攔河閘(泄洪兼節制功能)。攔河閘由于年久失修遭受水毀，為保證灌區正常生產生活及河道沿線行洪安全，本次在原址對其進行拆除重建。經綜合比選，攔河閘采用7孔布置，單孔凈寬為8 m，設計工況(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 工程地質條件

根據攔河閘工程區地質鉆孔及試驗成果，本次勘察揭露的地層巖性及滲透性參數分層描述如下：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2.87×10-4cm/s。④級配不良粗砂。黃色～灰色，飽和、中密，連續分布于河底表層及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，泥質結構，層狀構造，伏于第四系之下，頂面高程139.45～139.85 m；滲透系數1×10-7cm/s。

1.2 防滲排水設計

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，本文取7；ΔH為上下游最大水位差，m。

經計算，攔河閘閘下防滲長度應不小于39.2 m。初步擬定攔河閘閘室底板長15.0 m，上游側混凝土鋪蓋長20.0 m，下游側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De80排水孔，孔距1 m，底板下部設反濾層。

2 閘基滲流穩定計算

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

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與巖質邊坡穩定性，同時可作為獨立的有限元軟件進行穩態和瞬態滲流分析，兩者亦可耦合使用求解涉水邊坡的滲流穩定問題。通過建立閘基滲流計算模型并設定邊界條件，可求得整個滲流區域流場分布、滲流坡降、流速矢量等。符合達西定律和連續性方程的非均勻各向異性二維穩態滲流場，總水頭函數滿足以下微分方程[1]

(2)

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

根據實際勘察的地質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。將模型分區賦予相應的材料屬性，設置網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，閘基滲流穩定計算成果滿足規范要求。

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、內部垂直段和水平段的阻力系數；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。

依據上式逐段計算阻力系數和相應的水頭損失，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、完成網格劃分，設定好邊界條件后進行攔河閘的滲流計算，主要計算結果如圖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，閘基滲流穩定符合要求。

3 計算結果對比分析

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。結合圖2～4和圖5～7計算結果，Slide和Autobank作為兩款有限元滲流分析軟件，依據的計算原理相同，且可設定大體相同的網格劃分精度，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，計算所得滲流數據較有限元法稍小，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，結果更為直觀、全面，且不受地基土層數、各向異性及是否水平成層的限制。

4 結 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法及Autobank有限元法的計算成果進行綜合對比，相互驗證，結果表明：

(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法偏安全，適用于地基土層各向異性及地下輪廓復雜的情況，建模方便、計算效率高；且可獲得整個滲流區域內滲流要素的分布，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大中型水閘復雜土質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。