Slide软件在水闸渗流计算中的应用及分析

2022-06-21李炳阳杨旭亮

水力发电 2022年1期

李炳阳，杨旭亮

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.青海民族大学土木与交通工程学院，青海西宁 810007)

渗流区域内的渗透压力、渗透坡降、渗透流速及渗流量的求解，是土质地基闸基渗流计算的基本内容，对水闸防渗排水设计起着重要支撑作用。在实际工程中，闸基渗流区域的边界条件通常较为复杂，解析求解闸基渗流运动的拉普拉斯方程难度很大，因而常采用一些近似且实用的方法，如改进阻力系数法和流网法[1]。改进阻力系数法系根据地下轮廓特点将整个渗流区域分成几个典型流段，求解各个典型流段的阻力系数，进而算出任一流段的水头损失、渗流压力及其他渗流要素，由于不需要绘制流网，且计算精度满足工程应用要求，目前已经被设计人员广泛采用。但当地下轮廓线复杂或闸下为多层地基土时，改进阻力系数法存在计算过程繁琐、费时和适用性问题。规范[2]指出，复杂土质地基上的重要水闸，应采用数值计算法进行计算。在水闸渗流场数值分析中建立饱和—非饱和渗流模型，利用有限元软件分析两种工况下水闸底板的扬压力和水力坡降，研究闸底区域渗流流场的分布规律[3]；在水闸闸基渗流分析中采用改进阻力系数法和Autobank软件进行计算，对比分析了数值方法计算结果的可靠性[4-5]。利用slide软件对渗流作用下的土质边坡、尾矿坝等进行稳定性计算[6- 8]，表明该有限元软件可以较好地模拟地下水渗流作用。

基于以上考虑，结合黑龙江省某灌区渠首拦河闸重建工程，本次采用Rocsciencee公司研发的Slide软件对闸基稳态渗流问题进行有限元分析，获取地下轮廓各关键节点水头和其水平段及出口段渗流坡降，并将此成果同改进阻力系数法及Atutobank有限元分析法的计算成果进行对比分析，总结Slide软件在闸基渗流分析中的应用价值，以期为国内、外同类工程渗流分析提供一种技术手段和参考。

1 工程概况

黑龙江省某灌区渠首枢纽位于拉林河干流五常段上，工程为闸坝结合形式，左侧为310 m长堆石溢流坝，右侧为钢筋混凝土拦河闸(泄洪兼节制功能)。拦河闸由于年久失修遭受水毁，为保证灌区正常生产生活及河道沿线行洪安全，本次在原址对其进行拆除重建。经综合比选，拦河闸采用7孔布置，单孔净宽为8 m，设计工况(P=5%)下过闸流量1 230 m3/s，校核工况(P=2%)下过闸流量1 400 m3/s，正常挡水位151.10 m，工程等别为Ⅲ等。

1.1 工程地质条件

根据拦河闸工程区地质钻孔及试验成果，本次勘察揭露的地层岩性及渗透性参数分层描述如下：①人工填土。主要以粘性土为主，层厚1.80～4.90 m。②级配不良细砂。黄色，稍湿～饱和，稍密，局部为中砂，分布于右岸地表人工填土下方，厚度1.4～2.0 m，层底高程147.66～147.77 m。③级配不良中砂。黄色，饱和，稍密，局部为细砾，断续分布于①人工填土和②级配不良细砂之下，厚度1.4～4.6 m，层底高程141.38～148.04 m；渗透系数2.87×10-4cm/s。④级配不良粗砂。黄色～灰色，饱和、中密，连续分布于河底表层及③级配不良中砂之下，厚度2.4～7.1 m，层底高程139.21～142.34 m；渗透系数5.21×10-4cm/s，水平段允许渗流坡降0.15，出口段允许坡降0.40。⑤泥岩。深灰～灰绿色，泥质结构，层状构造，伏于第四系之下，顶面高程139.45～139.85 m；渗透系数1×10-7cm/s。

1.2 防渗排水设计

拦河闸闸室底板高程146.5 m，出口消力池底高程145.5 m，正常挡水工况上、下游最大水位差为5.6 m。水闸基底土层主要为级配不良中、粗砂层，按下式拟定闸下防渗轮廓线长度。

L=CΔH

(1)

式中，L为闸下防渗轮廓线长度，m；C为允许渗径系数，本文取7；ΔH为上下游最大水位差，m。

经计算，拦河闸闸下防渗长度应不小于39.2 m。初步拟定拦河闸闸室底板长15.0 m，上游侧混凝土铺盖长20.0 m，下游侧钢筋混凝土消力池水平不透水段长6.5 m，则闸下防渗轮廓线总长41.5 m，基本满足防渗长度要求。消力池后半段总长8.0 m，考虑排水需要，梅花形布设De80排水孔，孔距1 m，底板下部设反滤层。

2 闸基渗流稳定计算

拦河闸地基砂性土级配不良，渗透稳定性较差，应对闸基渗流进行计算，分析发生渗流破坏的可能性，以保证拦河闸长久稳定运行。

2.1 Slide有限元法

Slide软件是一款全球著名的岩土工程分析软件，可采用极限平衡法来分析土质与岩质边坡稳定性，同时可作为独立的有限元软件进行稳态和瞬态渗流分析，两者亦可耦合使用求解涉水边坡的渗流稳定问题。通过建立闸基渗流计算模型并设定边界条件，可求得整个渗流区域流场分布、渗流坡降、流速矢量等。符合达西定律和连续性方程的非均匀各向异性二维稳态渗流场，总水头函数满足以下微分方程[1]

(2)

式中，H为总水头；kx为x方向的渗透系数；ky为y方向的渗透系数；Q为流量。

根据实际勘察的地质剖面和拦河闸纵向布置，建立闸基渗流计算模型如图1所示，地基深度方向取3倍的挡水高度。将模型分区赋予相应的材料属性，设置网格尺寸完成有限元离散，指定好水头及逸出边界条件后，软件便可快速完成渗流场计算。

图1 slide闸基渗流计算模型

在后处理中查看总水头、压力水头、渗流坡降等云图及等势线，用户也可以根据需要自定义其他要素。本次主要计算成果见图2～4。

由图2～4可知，Slide有限元分析法得到的闸基水平段渗流坡降为0.093，出口段渗流坡降为0.156，均小于地基土的允许坡降，闸基渗流稳定计算成果满足规范要求。

图2 闸下渗压等势线(单位：m)

图3 闸下水平渗流坡降等势线

图4 闸下竖向渗流坡降等势线

2.2 改进阻力系数法

拦河闸下地基岩土主要为粗砂和泥岩，泥岩层透水性较差可视为相对不透水层，以粗砂层厚度作为地基实际透水层深度。闸基地下轮廓简化分成21段，各段阻力系数按以下公式计算[1]。

(3)

(4)

(5)

图6 闸下水平渗流坡降等势线

图7 闸下竖向渗流坡降等势线

式中，ξ0、ξy、ξz分别为进出口段、内部垂直段和水平段的阻力系数；S为齿墙入土深度，m；T为地基透水层深度，m；Lx为水平段长度，m；S1、S2分别为进出口段齿墙的入土深度，m。

依据上式逐段计算阻力系数和相应的水头损失，并对进、出口段水头损失值和渗透压力分布图形进行局部修正，依次求得闸基水平段和出口段的渗流坡降，结果见表1。

表1 闸基水平段和出口段的渗流坡降

由表1可知，改进阻力系数法计得的闸基水平段渗流坡降为0.085，出口段渗流坡降为0.151，均小于地基土的允许坡降，闸基渗流稳定满足要求。

2.3 Autobank有限元法

采用Autobank软件建立有限元计算模型(同Slide模型一致)，添加材料属性、完成网格划分，设定好边界条件后进行拦河闸的渗流计算，主要计算结果如图5～7。

图5 闸下渗压等势线(单位：m)

由图5～7可知，Autobank有限元分析法得到闸基水平段的渗流坡降为0.093，出口段的渗流坡降为0.153，均小于地基土的允许坡降，闸基渗流稳定符合要求。

3 计算结果对比分析

将上述3种方法的主要成果进行整理见表2。

表2 不同方法下闸基渗流计算成果

从表2可知，相同工况下3种方法计算得到的水头损失和渗流坡降值差别不大。结合图2～4和图5～7计算结果，Slide和Autobank作为两款有限元渗流分析软件，依据的计算原理相同，且可设定大体相同的网格划分精度，因而计算得到的渗流场分布基本无差别，闸基轮廓线上各渗流要素数值均基本一致，说明Slide软件可以较好的进行闸基渗流分析；改进阻力系数法需要先对闸基地下轮廓进行简化，再对实际透水层深度进行分析确定，计算所得渗流数据较有限元法稍小，说明采用有限元法进行渗流计算分析是偏安全的，对工程设计和长久运行有利；此外，利用有限元软件可快速建模计算，并可得到渗流场中任一点的渗流要素值、等值线，结果更为直观、全面，且不受地基土层数、各向异性及是否水平成层的限制。