基于改进排水子结构法的堤防排水管幕研究

李 益，高 健，王颖聪，宋平平，张 凯

(1.南京市滁河河道管理处，江苏 南京 210048；2. 南京市浦口区水利工程管理服务站，江苏 南京 211800；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

基于改进排水子结构法的堤防排水管幕研究

李 益1，高 健1，王颖聪2，宋平平1，张 凯3

(1.南京市滁河河道管理处，江苏 南京 210048；2. 南京市浦口区水利工程管理服务站，江苏 南京 211800；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

堤防工程渗流问题是水利工程建设中的重点、难点问题，选择合理有效的排水管幕方案能有效解决此类问题。为此，本文采用改进排水子结构法并运用程序实现对某堤防工程排水管幕的模拟，通过建立三维有限元模型模拟考虑排水管幕的岸坡结构，对岸坡浸润面形态以及排水效果进行综合评价分析，在此基础上考虑经济以及排水效果等因素提出相应的工程排水管幕布置方案，最终确立排水管幕双排布置间距15 m作为该工程最优方案，并已运用于该工程除险加固中，取得良好的效果。研究结果论证了改进排水子结构法在堤防工程渗流分析中的合理性和优越性，同时也可为相关工程的渗流问题解决提供思路及技术支持。

改进排水子结构法；三维渗流场模拟；数值模拟；排水管幕

近年来，各地加强了病险堤防工程的除险加固力度，然而由于堤防工程工作条件恶劣、地质条件复杂，堤防工程渗透变形、沉降变形、沙土液化等地质问题突出，堤岸崩塌、滑坡、溃口等工程事故频发。如何准确掌握并解决堤防工程渗流问题，对于鉴定堤防工程安全工作状态，并进行除险加固具有十分重要的意义。排水孔、排水管幕等排水设施能有效降低土体渗流压力，在大坝、堤防边坡、地下洞室结构等工程中应用广泛。现有研究中，针对排水管幕的模拟方法主要有：以点代孔法、边界元法、等效杆单元法、杂交元法、排水子结构法、改进排水子结构法、空气单元法、复合单元法等。其中，改进排水子结构法[1-4]因其可通过加密排水管周边单元网格而不影响初始网格建立，并具有适应排水管附近水力梯度大等特点，可有效解决有排水管幕的工程渗流问题。本文采用改进的排水子结构法对某堤防工程排水管幕进行模拟，并基于模拟结果提出经济有效的排水管幕布置方案。

1 研究方法

1.1 改进排水子结构法的基本原理

排水子结构算法实质上是先将子结构内部节点向外部节点凝聚，在计算中，先将排水子结构当成一个超单元，通过整体传导矩阵和已知边界条件计算得到外部节点的初始水头。对子结构中的单元分析，可求得子结构内其他未知节点的节点水头，然后再通过外部节点的回代，修正非子结构单元的节点水头。通过不断迭代，从而求得完整计算域全部渗流场水头分布。

如图1所示，网格中节点13-14-15-16构成的整体就是一个排水子结构。其中，节点13、14、15、16为外部节点，其余带编号的为内部节点。节点9-10-11-12构成一个排水管，一般假定9-12节点为已知水头节点。常规排水子结构法通过计算单元总体传导矩阵和相应流量列阵，即可求得子结构内其他未知节点的节点水头，然后再通过外部节点的回代，即可求得完整计算域内渗流场水头分布。

图1 排水子结构示意图

排水子结构法基本解决了当排水管不穿过渗流自由面时渗流场问题。然而，当排水管穿过自由面，排水子结构内部将出现渗流虚域及虚单元，则会产生较大的误差。

改进的排水子结构法[1-2]，通过采用结点虚流量法对渗流实域、渗流虚域和过渡单元问题进行解决，可有效解决子结构法中的误差问题。

排水孔内边界面在渗流场中可能为逸出面也可能为排水面。根据排水孔渗流行为分为：排水孔穿过自由面；排水孔与自由面不相交。若排水孔穿过自由面，则其内边界面上三种渗流行为如图2所示。

图2 边界示意图

(1)在渗流自由面以上的孔段ab或a′b′位于渗流虚域内，实为不排水边界，张量表达式为：Σ∂iH·kij·ni=0。且在结点虚流量法求解中保证：H

(2)bc或b′c′段为渗流逸出面：Σ∂iH·kij·ni≤0，H=Z。

(3)位于排水孔内水位Z0以下的cd或c′d′段为已知水头面，其中H=Z0。

当排水孔与自由面不相交时，排水孔可能位于自由面上方，此时无排水降压的作用；或位于自由面下方，此时排水孔的渗流行为按照(2)与(3)中分段表达。

1.2 改进排水子结构的程序实现

首先需对排水管进行二次剖分，需准备排水管超单元文件。文件中包含超单元单元号、单元节点及材料信息。图3是一个单元的标准编号，节点编号的顺序为自上而下逆时针。其中，节点1-4-8-5所在面为1号面，对面为2号面；节点1-2-6-5所在面为3号面，对面为4号面；节点1-2-3-4所在面为5号面，对面为6号面。根据排水管剖分方向，剖分形式分为六种类型。类型一：剖空面位于5、6号面，排孔方向沿着4-1边方向；类型二：剖空面位于5、6号面，排孔方向沿着1-2边对应的方向；类型三：剖空面位于1、2号面，排孔方向沿着1-5边对应方向；类型四：剖空面位于1、2号面，排孔方向沿着1-2边方向；类型五：剖空面位于3、4号面，排孔方向沿着1-2边方向；类型六：剖空面位于3、4号面，排孔方向沿着1-5边方向。

图3单元标准编号

通过程序内部搜索，将排水子结构超单元和连续单元串联起来，对超单元和连续单元二次剖分，计算新增节点坐标，对生成的新数据标准化，消除重结点即可生成新的网格文件和排水管数据文件。这两个文件可直接作为三维渗流场有限元计算程序的准备文件。随后依据边界条件生成初始渗流场，通过迭代，生成最终的渗流场。其中所涉及的排水孔二次剖分程序以及稳定渗流场有限元计算程序流程分别如图4、图5所示。

图5 渗流场有限元计算程序流程图

2 案例计算及分析

2.1 工程简介

某河流位于江淮之间，系长江下游左岸一级支流，干流全长269 km，流域面积8000 km2。某堤防工程是该河流治理工程之一，全长13.6 km，是减轻沿途城市、区县、圩区洪水压力，保障沿河区域社会经济发展、企业正常生产生活、群众生命财产安全的重要设施。由于该工程运行时期地下水位较高，为此拟采用埋设排水管(如图6)的工程措施降低地下水位，其中所拟定的排水管铺设方案如表1所示。

表1 排水管计算方案表

图6 水平排水管断面布置图

2.2 计算模型及参数选定

为方便对比分析排水管排水效果，对计算模型进行了简化处理，将岸坡填土视为均一土体，基础亦视为均一土体。模型初始剖分时预留了排水管位置，模型见图7。模型全部采用六面体等参单元，共计剖分13 750个单元，15 828个节点。模型中横河向两端面及底面假定无流量进出，设置为不透水边界，岸坡设置为可能溢出边界，顺河向端面设置为定水头边界，而排水管幕内边界面的边界形式参考1.1节中边界设置。

图7 有限元网格图

河道内水位取相应南京潮位8.86 m，岸坡后水位取平均地下水位28.50 m。参考地勘资料，确定均一化后岸坡填土渗透系数为1×10-5cm/s，堤基填土渗透系数为5×10-6cm/s。

2.3 计算结果分析

2.3.1 浸润面形态分析

为研究单排与双排排水管对工程浸润面形态的影响，通过模拟各计算方案下顺河向及横河向浸润面分布图，数值模拟结果如图8～10所示。

由图8～10可知，顺河向浸润面整体呈波浪状分布，在各排水管位置处浸润面位于波浪状的低处，在两排水管中间位置处浸润面位于波浪状的高处。单排排水管横河向浸润面在排水管端部跌落至排水管内部，自排水管下部形成出溢；双排排水管横河向浸润面在两排排水管内形成两次跌落后自下排排水管下部出溢，且对于双排排水管，浸润面出溢高程主要受其中最低高程位置的排水管影响。

2.3.2 排水效果评价

从排水效果角度进行方案的甄选，各间距下顺河向及横河向等水头线分布如图11～13所示。水头等值线在排水管位置呈环状分布，由四周向孔内逐渐降低，表明排水管起到了很好的降低水头作用。相同间距下，排水管布置越低，水头的降低效果越明显。单排排水管在10.0 m高程布置，排水管端部水头约为17.0 m，而14.5 m高程排水管端部水头约为21.5 m。此外，水头等值线在排水管前分布较排水管后密，表明岸坡地下水迅速汇流至排水管中，排水管起到了很好的汇流作用。在排水管端部附近等水头线呈弯曲状，表明此部位形成环状渗流场。

由各高程排水管在不同间距下的浸润面对比图(图14)可知：设置排水管后能显著降低岸坡内浸润线，且排水管高程设置越低，降低效果越明显；此外排水管间距对浸润面降低也有一定影响，排水管设置越高，间距减小对浸润面的降低效果越明显，而双排布置的水头降低效果与其中高程最低的单排布置的水头降低效果基本一致。

2.4 方案选择

通过对浸润面形态以及排水效果的分析，本工程拟采用双排布置形式，而对于排水管布置间距的选择涉及经济以及排水效果的择优。对于(1)情况，15 m、20 m、25 m间距下浸润面最高点分别为17.5 m、17.9 m、18.1 m；对于(2)情况，则分别为22.8 m、22.8 m、23.6 m，而对于(3)情况，其规律与(1)情况相近，因此，可选择排水管间距在15～20 m间。其中方案选择原则如下：

图8 间距15 m下顺(左列)、横(右列)向断面浸润面分布图

图9 间距20 m下顺(左列)、横(右列)向断面浸润面分布图

图10 间距25 m下顺(左列)、横(右列)向断面浸润面分布图

图11 间距15 m下顺(左列)、横(右列)河向断面等水头线分布图

图13 间距25 m下顺(左列)、横(右列)河向断面等水头线分布图

图14 同高程不同间距排水管降低浸润面效果对比

(1)若注重于排水效果，可选择双排且间距为15 m。

(2)若注重排水效果兼顾经济，可选择双排且间距为20 m。

(3)若注重经济且兼顾排水效果，可选择单排(排水管高程10.0 m)，且间距为15 m。

以上方案均能满足工程实际运行要求，并保证工程的安全运行与效益的发挥。

3 结 论

本文采用改进子结构法对堤防工程的岸坡三维渗流场进行数值模拟，通过对岸坡结构进行三维建模，对岸坡浸润面形态以及排水效果进行评价分析，并考虑排水效果以及经济的因素，以此得到相应的排水管幕布置方案。所确定的布置方案均能满足工程实际运行要求，且工程除险加固中已采用2.4中情况(1)，并在实际施工中得到良好的效果验证。由此说明本文采用的基于改进排水子结构法的排水管幕方案的选择是合理有效的。

[1] 朱岳明,陈振雷,吴愔，等.改进排水子结构法求解地下厂房洞室群区的复杂渗流场[J].水利学报,1996(9):79-85.

[2] 朱岳明,张燎军.渗流场求解的改进排水子结构法[J].岩土工程学报,1997,19(2):69-76.

[3] 周桂云,李同春.渗流场排水子结构法有限元分析的局部非协调网格解法[J].水利水电科技进展,2007,27(2):26-29.

[4] 范磊,姜海霞.排水子结构统一建模方法及其与ABAQUS集成[J].水电能源科学,2010,28(6):52-55.

Study on drain curtain in embankment engineering with the technique of improved drainage substructure

LI Yi1，GAO Jian1，WANG Yingcong2，SONG Pingping1，ZHANG Kai3

(1.Management Division of Chuhe-river of Nanjing,Nanjing 210048,China；2.Nanjing Pukou District Water Conservancy Project Management Service Station,Nanjing 211800, China；3.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029,China)

Seepage field problems has been the focus of the hydraulic engineering construction, therefore, choosing the effective layout scheme can be the solution to it. The simulation of the drain curtain, based on the technique of improved drainage substructure, can be used to analyse the form of seepage face and the effect of drainage on this dissertation. On account of the analysis process，the layout scheme, whose tube pitch is 15m in double storey layout, are concluded while considering the factor of economy and drainage effectiveness. Consequently, the scheme are practical apply in the reservoir consolidating and de-danger engineering, which verify the rationality of the simulation and technique. Furthermore, the technique and procedure of this simulation can be a reference to the similar problems.

technique of improved drainage substructure; simulation of the three-dimensional seepage；numerical simulation；drain curtain

水利部公益性行业科研专项(20150133)

李 益(1986-)，男，江苏连云港人，工程师，主要从事工程结构分析与安全评价工作。E-mail:yi_117@126.com。

TV871

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2096-0506(2017)07-0017-09