基于ANSYS 模型的堤防渗流稳定研究

张 倩

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 工程概况

天津市延吉道220kV变电站全站改造工程电力隧洞位于天津市北辰区，电力隧洞采用DN3000混凝土管顶管工艺，穿越永定新河。永定新河为天津市一级重要行洪河道，位于天津市北侧，西起北辰区屈家店，东至塘沽区北塘入渤海，其右堤是天津市城区北部的防洪屏障。 河道全长66km， 沿途纳入机场排水河、北京排污河、潮白新河和蓟运河等。 永定新河河道开挖于1971年，是以深槽行洪为主的复式河道，管道穿越位置为三堤两河，北河宽300m，南河宽200m，设计深槽底宽北河为130m，南河为30m，河底比降为1/13000。

2 ANSYS模型计算

顶管穿越工程施工中难免会对堤防工程基础土层产生扰动，影响原土体的密实度，甚至可能会沿隧洞周边形成一条渗流通道，影响堤防的结构稳定。因此， 分析顶管工程对堤防渗透稳定的影响是顶管穿越工程防洪评价的要点之一。

为此采用ANSYS软件中的渗流场分析功能对堤防土层进行渗流的分析计算。

ANSYS渗流分析基于能量守恒原理和质量守恒原理的渗流运动平衡方程和连续性方程， 用有限元计算各节点的水头，渗流分析符合拉普拉斯方程，在ANSYS的理论手册给出了渗流分析的控制方程可写成：

式中 Kx，Ky，Kz分别为三向渗流系数；h为渗流水头。

由上述分析可见， 地基土渗流问题是土体问题的一种形式， 只需将边界条件相应变为已知水头分布及渗流速度， 就可采取ANSYS软件中的渗流场分析功能对堤防土层进行渗流的分析计算。

2.1 模型建立

根据顶管隧洞穿越河流纵剖面结构图， 按照实际结构的尺寸构建计算模型。 模型横向延伸30m，竖向延伸30m，相当于3倍隧洞埋深，计算范围满足计算要求。 分别对永定新河左堤和右堤建模计算。

图1 左堤渗流分析计算模型

图2 右堤渗流分析计算模型

2.2 材料属性

本模型构建主要由堤身和隧洞组成。 堤身属性设为各向同性，主要参数为渗透系数。堤身地质根据地质报告确定，隧洞为混凝土管。永定新河左堤堤基高程-0.5m至堤身高程3.0m部位分布有一层粉土，渗透系数为3×10-4cm/s；-0.5～-2.0m为黏土，渗透系数为1.25×10-5cm/s；-2.0～-9.0m为粉质黏土， 渗透系数为1.35×10-5cm/s。 永定新河右堤-2.0m以上为粉土层，渗透系数为4×10-3cm/s；-2.0m以下为粉质黏土，渗透系数为5×10-5cm/s。 隧洞渗透系数很小，取值为K=1×10-8cm/s，工况三出现集中渗漏的情况下， 隧洞渗透系数取值为K=1×10-3cm/s。 允许比降取0.4。

2.3 边界条件

左右堤防洪水位按100年一遇设计为5.14m，在河床范围内施加最大洪水水头，在堤防外侧无水，渗流出口处水头为零。

2.4 作用工况

工况一（现状，无隧洞条件）：原河床抵御最高洪水时堤防的渗流状况，土体处于长期稳定渗流状态。

工况二（隧洞建成后正常运行）：本工况考虑在隧洞施工建成后， 河床再抵御最高洪水时堤防的渗流状况，土体处于稳定渗流状态。

3 结果与分析

本次主要从渗流水头、渗透坡降、渗透流速三个方面分析计算， 得出三种不同工况下渗流场的分布情况和变化情况。

3.1 工况一（现状，无隧洞条件）

图3、4为原河床抵御最高洪水时的水头等值线图。 计算结果表明，原河床抵御最高洪水水头时，形成稳定渗流场。 河床内水头相同，为最大洪水水头，在堤防内形成的渗流场分布均匀，没有明显突变。

图3 左堤初始状态渗流水头等值线

图4 右堤初始状态渗流水头等值线

图5、6为原河床抵御最高洪水时的渗透坡降分布图。 计算结果表明，原河床抵御最高洪水水头时，形成稳定渗流场。河床内渗透坡降分布均匀，数值较小，在两岸堤防内形成梯度增加的渗透坡降分布，较大值出现在堤防粉土层区域， 左堤最大值为0.288，右堤最大值为0.254，均小于允许渗透坡降0.4，不构成渗透破坏。

图5 左堤初始状态渗流坡降分布

图6 右堤初始状态渗流坡降分布

图7、8为原河床抵御最高洪水时的渗透流速矢量分布图，由图可看出，由于右堤防渗墙的存在，一定程度上改变了渗流路径，起到了一定的阻渗作用。

图7 左堤初始状态渗流流速矢量分布

图8 右堤初始状态渗流流速矢量分布

3.2 工况二（隧洞建成后正常运行）

图9、10为隧洞建成后正常运行一段时间， 河床再次抵御最高洪水时的渗流水头等值图。计算结果表明，隧洞施工完成后河床抵御最高洪水水头时， 隧洞施工对原渗流场有一定的扰动作用，渗流场重新分布。河床内水头相同，为最大洪水水头，在堤防内形成梯度下降的渗流水头分布，分布均匀，没有明显的突变。 工况二与工况一相比，渗流水头分布并没有明显变化。

图9 左堤施工后渗流水头等值线

图10 右堤施工后渗流水头等值线

图11、12为在隧洞建成后正常运行一段时间后，河床再次抵御最高洪水时的渗透坡降分布图。 计算结果表明：隧洞施工后河床抵御最高洪水水头时，隧洞对原渗流场有一定的扰动作用，渗流场重新分布。河床内渗透坡降分布均匀，数值较小。在两岸提防内形成梯度增加的渗透坡降分布，较大值出现在堤防粉土层区域，左堤最大值为0.306，右堤最大值为0.289，均小于允许渗透坡降0.34，不构成渗透破坏。与工况一相比，隧洞施工后的渗透坡降分布和最大值并没有较大变化。

图11 左堤施工后渗流坡降分布

图12 右堤施工后渗流坡降分布

图13、14为隧洞建成后正常运行一段时间后，河床再次抵御最高洪水时的渗透流速矢量分布图，由图可看出，右堤由于防渗墙的存在，一定程度上改变了渗流路径，起到了一定阻渗作用。

图13 左堤施工后渗流流速矢量分布

图14 右堤施工后渗流流速矢量分布

4 结语

（1）管道穿越堤防，施工过程中会对堤防稳定产生影响，定量的评价管道对堤防产生的影响是必要的。

（2）采用ANSYS软件中的渗流场分析对管道穿越堤防工程进行建模，分析计算不同工况下，管道施工及工程建成后对河道堤防产生的影响，结果可靠，分析方法合理， 为建设项目对堤防的影响提供了可靠数据，保障了河道的行洪安全。