Autobank 闸基渗流计算与改进阻力系数法对比分析

李腾

（安徽省阜阳市水利规划设计院有限公司，安徽 阜阳 236000）

土基上的水闸建成挡水后，在上下游水位差的作用下，将在闸基土体内产生渗流，当闸基渗流产生的渗透流速或水力坡降超过闸基土体容许渗流坡降时，将会引起土体的渗透变形，若渗透变形持续发展，可能使闸基掏空、沉陷，严重时会导致水闸断裂和倒塌破坏；另外，闸基渗流对闸室底板产生向上的渗透压力，减小了闸室的有效重量，也会降低闸室的抗滑稳定性。为了防止水闸产生渗流破坏，在工程设计时，必须进行闸基渗流计算。闸基渗流属于有压渗流，一般为平面问题，当确定地下轮廓布置后，即可进行渗流计算，根据计算结果合理进行地下轮廓线的布置，并采取必要的防渗排水措施，以保证工程设计的安全性、技术措施的可靠性及建筑物的安全运行。

1 工程概况

1.1 前池翻水涌沙现象

原上堵口电力排灌站安装清污机时将前池水排净，发现前池和进水池底板均存在翻水涌沙现象，前池底板存在三处涌沙点，其中中间位置涌沙量较大，当时外河水位高于内河水位，其细砂层地基已经遭到破坏，有发生渗透破坏的隐患。为保证泵站安全运行和淮河大堤的安全，设计时进行截渗墙围封处理。

建筑物持力层为第3 层为细～中砂，闸基渗流计算近似考虑高程8.0m 以下为相对不透水层。

1.2 工程地质

勘探深度范围内分布的地层为第四纪晚更新世冲积层（Q3al）；土层自上而下分述如下。第1 层为粉质黏土夹重粉质壤土（Q3al），黄色、灰黄色，可塑～硬塑，多受铁锰质浸染，一般含有细粒铁锰质结核，中压缩性；层底高程18.05～20.31m，平均19.03m，层厚0.70～5.30m，平均3.58m。

第2 层为中粉质壤土（Q3al），局部为轻粉质壤土，灰黄、青灰等色，可塑状，中压缩性。可见水平微层理，局部夹细砂及少量腐殖物；层底高程16.66～19.21m，平均17.73m，层厚0.40～2.70m，平均1.35m。

第3 层为细～中砂（Q3al），局部夹少量粗砂。灰黄、棕黄、青灰等色，稍密～中密。层底高程7.92～16.21m，平均11.54m，层厚1.90～9.90m，平均6.47m。

第4 层为重粉质壤土夹中粉质壤土（Q3al），灰绿、棕黄、青灰等色，硬塑，局部为可塑状，局部可见层理，并夹少量砂礓，低压缩性；层底高程-2.34～8.97m，平均3.61m，层厚0.90～12.3m，平均6.41m。

2 渗流计算原理

2.1 Autobank 软件

Autobank 软件由河海大学研究开发，内部采用有限元技术，可对水闸、涵洞、土坝、堤防等水工建筑物进行分析计算。该软件在渗流、稳定、变形、应力分析计算等方面表现突出，通过建立计算模型并添加模型边界条件，用有限元方法求解二维渗流控制方程，解决各向同性、各向异性、多层地基和复杂断面情况下的渗流场分析问题，稳定渗流场分析输出等势线、浸润线、流线（流网）、渗流量、渗透力、水头坡降等，可以得到任意点的渗流数据、任意断面流场数据分布图。

对于稳定渗流，符合达西定律的非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程，见公式（1）。

求解渗流场的关键是确定浸润线位置，Autobank采用节点流量平衡法通过迭代计算自动确定浸润线位置和渗流量。

2.2 改进阻力系数法

在《水闸设计规范》（SL265—2016）附录C 中，改进阻力系数法把闸基不透水底部地下轮廓线分成三个基本段，包括进出口段、内部垂直段、水平段。

2.2.1 地基有效深度计算

当计算的Te值大于地基实际深度时，Te值应按地基实际深度采用。

式中：Te为土基上水闸的地基有效深度（m）；L0为地下轮廓的水平投影长度（m）；S0为地下轮廓的垂直投影长度（m）。

2.2.2 分段阻力系数计算

进、出口段的阻力系数：

式中：ξ0为进、出口段的阻力系数；S 为板桩或齿墙的入土深度（m）；T 为地基透水层深度（m）。

内部垂直段的阻力系数：

式中：ξy为内部垂直段的阻力系数。

水平段的阻力系数：

式中：ξx为水平段的阻力系数；S1、S2为进、出口板桩或齿墙的入土深度（m）。

3 水闸底板不设截渗墙闸基渗流计算

3.1 Autobank 渗流计算报告

3.1.1 计算工况

闸上水位为20.80m，闸下水位为14.00m。

3.1.2 材料参数

材料参数见表1。

表1 材料参数表

3.1.3 计算模型

模型见图1。

图1 有限元网格图

3.1.4 计算成果

计算结果见图2、图3。

图2 水压等值线图

图3 水力坡降等值线图

3.2 改进阻力系数法

3.2.1 计算简图

见图4。

图4 改进阻力系数法计算简图

3.2.2 计算成果

计算成果见表2。

表2 渗透水力坡降计算表

4 水闸底板下设截渗墙闸基渗流计算

4.1 Autobank 软件

见图5、图6。

图5 水压等值线图

图6 水力坡降等值线图

4.2 改进阻力系数法

渗透水力坡降计算见表3。

表3 渗透水力坡降计算表

5 Autobank 与改进阻力系数法成果对比

Autobank 软件与改进阻力系数法计算渗流坡降最大值成果对比见表4。

表4 渗流坡降最大值成果对比表

6 结论

1）Autobank 适用于各向同性、各向异性、多层地基和复杂土质地基；改进阻力系数法是近似计算方法，适用于均质、各向同性单层土质地基。

2）Autobank 不考虑地基有效深度；改进阻力系数法计算地基有效深度取值需考虑地基实际深度。Autobank 计算与地基渗透系数有关；改进阻力系数法计算只与地下轮廓线有关。

3）水闸底板设截渗墙时，墙后浸润线已脱离底板（见图6 虚线条），Autobank可以较真实反应渗流情况。Autobank 计算结果比改进阻力系数法明显偏小。Autobank 计算成果有水头、水压、渗流流量、渗流力、x 水力坡降、y 水力坡降、x 流速、y 流速；改进阻力系数法只计算水头、水压、渗流流量、水力坡降。

4）水闸底板不设截渗墙时，两种计算方法所得成果基本一致，均需进行截渗墙处理；处理后，两种计算方法所得成果稍有差别，但效果明显，均满足规范要求。

综上所述，两种计算方法可相互验证使用。土基上水闸基底渗透压力计算可采用改进阻力系数法；复杂土质地基上的重要水闸，应采用数值计算法，其计算速度快，计算精度高，可为其他类似水利工程设计提供参考和借鉴