河道洪水期數值模擬分析研究

李 偉

(國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100096)

河道在行洪期間水位不斷變化，由于水位變動形成非穩定滲流場，在非穩定滲流作用下河道岸坡和地基極易發生滲透破壞[1- 3]，本文通過采用三維非穩定飽和-非飽和滲流有限元程序計算模擬，分析評價河道在分穩定滲流作用下的滲透特性[4- 7]，并提出相應的工程措施。

1 有限元模型

根據河道結構形式，建立河道三維有限元計算模型。河道長度為100m，寬度為20m，高度28m，溝底標高為2.80m，岸坡坡比為1∶1.5。模型截取范圍和主要剖面位置示意圖如圖1所示。

圖1 河道三維計算模型

2 河道參數

根據地勘報告，各地層的滲透系數及允許滲透坡降見表1。

表1 河道各地層滲透系數

3 非穩定滲流分析

在運行過程中，河道水位是不斷變化的，河道及地基的滲流場是不穩定的，因此，本文深入分析河道及地基的非穩定滲流場特性，即模擬河道水位上漲和跌落的變化過程，分析和研究典型洪水過程中岸坡及地基非穩定滲流場的變化過程以及滲透坡降的變化情況。

3.1 邊界條件和初始條件[5]

非穩定滲流分析已知水頭邊界是隨水位變化的邊界，即河道隨著水位上升，岸坡部分出滲邊界逐漸變為已知水頭邊界(入滲)，而當河道水位降落時，岸坡部分已知水頭邊界又變為出滲邊界；河道兩側地下水位以上的岸坡為出滲邊界；河道底面假定不透水。

非穩定滲流分析的初始條件為河道開始行洪時，河道內水位為5.30m，河道兩側地下水位為2.80m，并假定形成穩定滲流場。在行洪過程中，假定河道兩側地下水位保持不變，即地下水位始終為2.80m。

3.2 計算參數和時間步長的選取

土體的非穩定滲流計算系數根據經驗確定。根據設計資料，河道的水位變化過程取5%山洪91年同期潮位計算典型斷面水位過程，如圖2所示。計算時，對河道水位變化過程進行簡化，簡化后的水位變化歷時曲線如圖3所示。根據非穩定滲流計算的要求，確定非穩定滲流計算的時段長為7、11、12、3、11、3、9、6、7、5h。

圖2 5%山洪91年同期潮位計算典型斷面水位過程

圖3 計算簡化的水位變化歷時曲線

3.3 計算工況

根據圖3，河道內水位上漲前，其水位為5.30m，3d內水位上漲至最高水位7.2m，然后不斷下降至5.8m。為安全考慮，將河道最高洪水位7.20m的持續時間適當延長；同時，行洪期間，河道兩側地下水位取2.80m，保持不變。

3.4 計算成果分析

為分析河道行洪過程中，岸坡及地基非穩定滲流場的變化，分別取11個時刻，給出剖面的滲流出口排水溝處的滲透坡降，用以分析滲透坡降的變化。這11個時刻對應的河道水位，見表2。其中T0時刻，即t=0時，為穩定滲流情況，岸坡的滲透系數仍為1.47×10-5cm/s。

根據圖2所示的5%山洪91年同期潮位，河道水位變化過程進行模擬計算、整理和分析，可得以下非穩定滲流場的主要結果。

表2 非穩定滲流分析河道水位與對應時刻

3.4.1 位勢分布

從不同時刻的位勢分布來看，隨著河道水位不斷上升，岸坡迎水側逐漸飽和，但是由于土的滲透系數較小，飽和區擴大的速度很慢。當河道水位上升至最高水位7.20m時，岸坡迎水側僅很小范圍形成飽和區；此后，水位逐步下降，但飽和區仍有一定程度增大；當洪水過程結束時，岸坡內滲流飽和區變化較大的區域僅限于上游側。在整個洪水過程中，岸坡中心線下游大部分區域的位勢場變化不大，但迎水面附近的飽和區內等勢線密集，滲透坡降很大。

3.4.2 滲透坡降

從表3看，最大滲透坡降出現在岸坡迎水面附近的飽和區內。但該區域為滲流進口，且岸坡土性質較好，不易發生危及岸坡安全的滲透變形，因而可不予考慮。對于滲流出口附近，行洪過程中，滲流場變化不大，其滲透坡降變化也很小，最大值出現在最高洪水位后15h，為0.629。

表3 各時刻最大滲透坡降

4 結論及建議

通過非穩定滲流場的計算成果可知，該設計洪水過程歷時較短，岸坡土體及溝道底面附近土體的滲透系數較小，故河道洪水位對岸坡及地基滲流場的影響較小，且該影響僅限于河道滲流入口附近范圍。洪水期間岸坡內不會形成穩定滲流場。

在非穩定滲流情況下，滲流出口堤后排水溝附近的最大滲透坡降為0.629，出現在最高洪水位后15h，滲流出口的最大滲透坡降可以滿足要求。

雖然計算結果表明滲流出口的最大滲透坡降可以滿足要求，但土層滲透系數的敏感性分析表明，該最大滲透坡降已接近允許滲透坡降。因此，綜合考慮，建議在該區段采取防滲帷幕、排水反濾等減小滲透壓力和滲透坡降的工程措施，以保證排水溝表面不發生滲透變形，使其滿足要求。