基于ADNIA的基坑渗流有限元分析

张冬冬，孙瑞瑞，袁新明，王　刚

(1.上海交通大学 船建学院安全与防灾工程研究所， 上海 200240；2.上海市地矿工程勘察院， 上海 200072； 3.扬州大学 水利科学与工程学院， 江苏 扬州 225009；4.山东农业大学 水利土木工程学院， 山东 泰安 271000)



基于ADNIA的基坑渗流有限元分析

张冬冬1，孙瑞瑞2，袁新明3，王刚4

(1.上海交通大学 船建学院安全与防灾工程研究所， 上海 200240；2.上海市地矿工程勘察院， 上海 200072； 3.扬州大学 水利科学与工程学院， 江苏 扬州 225009；4.山东农业大学 水利土木工程学院， 山东 泰安 271000)

基坑工程许多事故是地下水引起的，船坞基坑中常采用防渗设施来减小地下水的危害，而对渗流规律的分析研究尚未明确。为了进一步研究基坑防渗设施对渗流场的影响，应用温度场数学模型来模拟渗流计算，通过ADINA-T进行渗流模拟，得到不同工况下船坞基坑典型断面的渗透水头及坡降的分布变化规律，防渗设施对渗透水头和压力均有明显的下降作用，形成了较大的渗径长度，有效的缩小了渗透坡降，分析研究结果有利于进一步认识基坑在防渗设施下的渗流规律，为基坑渗流和防渗设施的研究提供理论依据。

三维水动力；船坞基坑；渗透水头；防渗设置；渗流控制

临江船坞基坑处于水位高处，常采用基坑减压降水措施降低地下水位，在基坑降水过程中底板与周围形成较大的水位差，存在一定的水力坡降，基坑安全存在隐患。采用减压防渗设施可以减小船坞底板的渗透水头确保基坑安全[1-5]。

实际工程中由于模型边界条件实现方式复杂，采用通常的水力及渗流学解法难以准确模拟实际流场情况[6]。随着计算机数值模拟技术发展，利用数值模拟手段采用有限元法计算防渗设置对地下水阻挡产生的渗流场影响[7-12]。本文以基坑防渗设施对渗流场影响为核心，对渗流场模型进行研究发现温度场与渗流场相应量类似，采用ADINA软件模拟断面的渗透场基本情况。

1　数学模型

1.1基本思路

将渗流区域剖分成有限元的组合体，在渗流微分方程中采取数学方法建立单元支配方程，采用多项式插值表示水头函数，描述渗流区域内的水头曲线。

1.2渗流计算在ADINA中的实现

ADINA采取的温度场控制方程为：

(1)

式中：θ为温度；kx，ky，kz为导热系数；qB为域内热单位体积生成率。模型边界满足：

(2)

(3)

式中：S1，S2为温度和热源密度；qS为热源密度边界条件。

式(1)中对和导热系数分别以水头h和渗透系数代替，令qB=0，则式变换为：

(4)

即为渗流基本微分方程。

根据温度场与渗流场相似原理，位函数将温度场换为渗流水头，导热系数替换为渗透系数，比热换成单位储存量，外渗强度以热产生率表征，采用ADINA-T模块边界条件设置并进行渗流计算。

1.3算例

采用以低渗透性地基的均质坝体为例计算稳定渗流自由等水头面，设置坝体参数为坝体上部和下部水头分别为6.0 m、1.0 m来计算稳定渗流自由面位置。

图1为低渗透地基均质坝体稳定渗流自由面。实线为ADINA-T模块计算出的温度场结果，虚线为甘油模型的实际试验结果，最大误差仅为7.0%，可以看出两者结果误差较小，满足计算精度要求。

2　有限元模型

2.1工程概况

船坞基坑工程[13]包括坞首、室及连接段等结构组成，平面尺寸为10 200 mm×46 000 mm，地下连续墙采用450 mm厚钢筋混凝土。底板采用钢筋混凝土梁板，在最底部铺设土工布，两侧设置为500 mm×800 mm的排水沟。

坞首采用三块分离式块基结构，坞门采用宽为15 m的整体浮箱式钢坞门。船坞设置第一道为坞首450 mm和坞外220 mm厚地下连续墙，第二道由坞首450 mm厚地下连续墙和坞室板桩墙。图2为船坞基坑底部平面图，图3为船坞基坑纵剖面图。

图1　低渗透地基均质坝体稳定渗流自由面

图2　基坑平面图

图3基坑纵剖面图

2.2有限元模型

(1) 计算区域的确定[8,14-16]。根据工程经验及有限元分析，计算模型范围取基坑宽度的2～4倍，长度的1～3倍。本基坑宽度为102 m，长度为460 m，计算模型宽度为459.04 m，长度为840.27 m。

(2) 单元剖分的划分。由于模拟计算区域较大，采用六面体单元结构化和非结构化网格相结合的方法，结合基坑和计算域的对称性，整个区域网格单元数划分为64 028个。划分网格时，针对重点部位进行适当加密处理，一般部位可以适当放宽的原则进行，对防渗墙作为不透水单元处理。图4为整个计算区域网格划分。

图4基坑数值计算网格划分

(3) 计算参数的选取。表1为基坑的材料计算参数。材料参数根据计算区域内基坑土体和材料的物理力学性质划分计算单元，混凝土面层采用3-D soild线弹性实体单元。

表1　基坑的材料参数[13]

(4) 边界条件处理与求解工况。模型中的边界类型为给定水头边界，计算模型左后两侧分别给定3.50 m的地下水位，在迎水面及右侧分别给定5.20 m的水头。根据基坑设计的上游作用水头及基坑右侧水位，将计算分为两种工况。

表2　计算工况表

3　分析讨论

3.1渗透水头分析

图5、图6为工况一、工况二基坑渗流等水头线。基坑内部存在渗透压力，防渗墙的设置对压力分布也有一定的影响。

图5　工况一基坑渗流等水头线

图6工况二基坑渗流等水头线

(1) 防渗墙对降低渗透水头具有明显阻挡作用。基坑首处、横纵向的渗透水头均呈下降趋势，右侧的渗透水头也下降明显。

(2) 基坑所受的压力非均匀分布。基坑所受的渗透压力水头不相等，在防渗墙附近压力下降最快。

(3) 基坑周围渗透水头变化呈下降趋势。在基坑前中线，底板所受3.0 m水柱高的渗透压力。

3.2渗透坡降分析

由于采用基坑减压降水措施降低地下水位，底板与周围形成较大的水位差，存在一定的水力坡降。

表3　基坑渗透坡降结果

表3为渗透坡降计算结果。图3截面的J-K、P-Q段在地下水位为5.20 m时的坡降为0.48、0.49均在允许范围内满足计算要求。

4　结　论

本文以基坑防渗设施对渗流场影响为核心，对渗流场模型进行研究发现温度场与渗流场相应量类似，采用ADINA计算结果如下：

(1) 防渗设施对降低渗透水头具有明显阻挡作用。渗透水头在基坑底部呈下降趋势，防渗墙作用明显，基坑与周围的变化趋势相同呈下降趋势。

(2) 防渗设施对渗透水头和压力均有明显的下降作用，形成了较大的渗径长度，有效的缩小了渗透坡降，有效减小发生管涌和流土的概率。

(3) 基于ADNIA软件建立三维数学模型能够准确模拟基坑渗流三维水流动力特性，模拟方法有利于进行多工况的比较，适用于大基坑建筑内的水流流态。

文中提到的数值模型仅对渗流场进行分析研究，对应力场的耦合模型未能完成，但该方法证明了ADINA有限元软件对基坑渗流场的模拟有效性。

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The Finite Element Analysis of Foundation Seepage Based on ADNIA

ZHANG Dongdong1, SUN Ruirui2, YUAN Xinming3, WANG Gang4

(1.InstituteofEngineeringSafetyandDisasterPrevention,OceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China; 2.ShanghaiInstituteofGeologicalEngineeringExploration,Shanghai200072,China; 3.CollegeofHydraulicScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou,Jiangsu225009,China; 4.WaterConservancyandCivilEngineeringCollege,ShandongAgriculturalUniversity,Taian,Shandong271000,China)

Deep excavation is often affected by groundwater that results in many accidents. Seepage control facilities were adopted in dry dock foundation to reduce the harm of groundwater seepage, yet the seepage law is not yet clear. In order to further study the effect of foundation seepage prevention facilities of seepage field and temperature field mathematical model to simulate the seepage, a three-dimensional mathematical model was developed by using ADNIA-T, which could provide us the distribution of seepage head and grade on typical section under different working condition. The results indicate that arrangement of anti-seepage dock has increased the seepage path length, reduced the seepage slope, and prevented the occurrence of piping and flow soil. This research is helpful to further recognize the seepage law of foundation pit under seepage control facilities, and could provide the reliable theory basis for foundation pit seepage and facilities design.

3D-water power; dry dock foundation; cut-off wall; seepage control

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.005

2016-04-01

2016-05-03

张冬冬(1984—)，男，上海静安人，博士研究生，研究方向为深基坑工程理论与技术。 E-mail：mengdong02@163.com

TU44

A

1672—1144(2016)04—0021—04