基于ANSYS 模型的堤防滲流穩(wěn)定研究

張 倩

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津300250）

1 工程概況

天津市延吉道220kV變電站全站改造工程電力隧洞位于天津市北辰區(qū)，電力隧洞采用DN3000混凝土管頂管工藝，穿越永定新河。永定新河為天津市一級重要行洪河道，位于天津市北側(cè)，西起北辰區(qū)屈家店，東至塘沽區(qū)北塘入渤海，其右堤是天津市城區(qū)北部的防洪屏障。 河道全長66km， 沿途納入機(jī)場排水河、北京排污河、潮白新河和薊運河等。 永定新河河道開挖于1971年，是以深槽行洪為主的復(fù)式河道，管道穿越位置為三堤兩河，北河寬300m，南河寬200m，設(shè)計深槽底寬北河為130m，南河為30m，河底比降為1/13000。

2 ANSYS模型計算

頂管穿越工程施工中難免會對堤防工程基礎(chǔ)土層產(chǎn)生擾動，影響原土體的密實度，甚至可能會沿隧洞周邊形成一條滲流通道，影響堤防的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此， 分析頂管工程對堤防滲透穩(wěn)定的影響是頂管穿越工程防洪評價的要點之一。

為此采用ANSYS軟件中的滲流場分析功能對堤防土層進(jìn)行滲流的分析計算。

ANSYS滲流分析基于能量守恒原理和質(zhì)量守恒原理的滲流運動平衡方程和連續(xù)性方程， 用有限元計算各節(jié)點的水頭，滲流分析符合拉普拉斯方程，在ANSYS的理論手冊給出了滲流分析的控制方程可寫成：

式中 Kx，Ky，Kz分別為三向滲流系數(shù)；h為滲流水頭。

由上述分析可見， 地基土滲流問題是土體問題的一種形式， 只需將邊界條件相應(yīng)變?yōu)橐阎^分布及滲流速度， 就可采取ANSYS軟件中的滲流場分析功能對堤防土層進(jìn)行滲流的分析計算。

2.1 模型建立

根據(jù)頂管隧洞穿越河流縱剖面結(jié)構(gòu)圖， 按照實際結(jié)構(gòu)的尺寸構(gòu)建計算模型。 模型橫向延伸30m，豎向延伸30m，相當(dāng)于3倍隧洞埋深，計算范圍滿足計算要求。 分別對永定新河左堤和右堤建模計算。

圖1 左堤滲流分析計算模型

圖2 右堤滲流分析計算模型

2.2 材料屬性

本模型構(gòu)建主要由堤身和隧洞組成。 堤身屬性設(shè)為各向同性，主要參數(shù)為滲透系數(shù)。堤身地質(zhì)根據(jù)地質(zhì)報告確定，隧洞為混凝土管。永定新河左堤堤基高程-0.5m至堤身高程3.0m部位分布有一層粉土，滲透系數(shù)為3×10-4cm/s；-0.5～-2.0m為黏土，滲透系數(shù)為1.25×10-5cm/s；-2.0～-9.0m為粉質(zhì)黏土， 滲透系數(shù)為1.35×10-5cm/s。 永定新河右堤-2.0m以上為粉土層，滲透系數(shù)為4×10-3cm/s；-2.0m以下為粉質(zhì)黏土，滲透系數(shù)為5×10-5cm/s。 隧洞滲透系數(shù)很小，取值為K=1×10-8cm/s，工況三出現(xiàn)集中滲漏的情況下， 隧洞滲透系數(shù)取值為K=1×10-3cm/s。 允許比降取0.4。

2.3 邊界條件

左右堤防洪水位按100年一遇設(shè)計為5.14m，在河床范圍內(nèi)施加最大洪水水頭，在堤防外側(cè)無水，滲流出口處水頭為零。

2.4 作用工況

工況一（現(xiàn)狀，無隧洞條件）：原河床抵御最高洪水時堤防的滲流狀況，土體處于長期穩(wěn)定滲流狀態(tài)。

工況二（隧洞建成后正常運行）：本工況考慮在隧洞施工建成后， 河床再抵御最高洪水時堤防的滲流狀況，土體處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

本次主要從滲流水頭、滲透坡降、滲透流速三個方面分析計算， 得出三種不同工況下滲流場的分布情況和變化情況。

3.1 工況一（現(xiàn)狀，無隧洞條件）

圖3、4為原河床抵御最高洪水時的水頭等值線圖。 計算結(jié)果表明，原河床抵御最高洪水水頭時，形成穩(wěn)定滲流場。 河床內(nèi)水頭相同，為最大洪水水頭，在堤防內(nèi)形成的滲流場分布均勻，沒有明顯突變。

圖3 左堤初始狀態(tài)滲流水頭等值線

圖4 右堤初始狀態(tài)滲流水頭等值線

圖5、6為原河床抵御最高洪水時的滲透坡降分布圖。 計算結(jié)果表明，原河床抵御最高洪水水頭時，形成穩(wěn)定滲流場。河床內(nèi)滲透坡降分布均勻，數(shù)值較小，在兩岸堤防內(nèi)形成梯度增加的滲透坡降分布，較大值出現(xiàn)在堤防粉土層區(qū)域， 左堤最大值為0.288，右堤最大值為0.254，均小于允許滲透坡降0.4，不構(gòu)成滲透破壞。

圖5 左堤初始狀態(tài)滲流坡降分布

圖6 右堤初始狀態(tài)滲流坡降分布

圖7、8為原河床抵御最高洪水時的滲透流速矢量分布圖，由圖可看出，由于右堤防滲墻的存在，一定程度上改變了滲流路徑，起到了一定的阻滲作用。

圖7 左堤初始狀態(tài)滲流流速矢量分布

圖8 右堤初始狀態(tài)滲流流速矢量分布

3.2 工況二（隧洞建成后正常運行）

圖9、10為隧洞建成后正常運行一段時間， 河床再次抵御最高洪水時的滲流水頭等值圖。計算結(jié)果表明，隧洞施工完成后河床抵御最高洪水水頭時， 隧洞施工對原滲流場有一定的擾動作用，滲流場重新分布。河床內(nèi)水頭相同，為最大洪水水頭，在堤防內(nèi)形成梯度下降的滲流水頭分布，分布均勻，沒有明顯的突變。 工況二與工況一相比，滲流水頭分布并沒有明顯變化。

圖9 左堤施工后滲流水頭等值線

圖10 右堤施工后滲流水頭等值線

圖11、12為在隧洞建成后正常運行一段時間后，河床再次抵御最高洪水時的滲透坡降分布圖。 計算結(jié)果表明：隧洞施工后河床抵御最高洪水水頭時，隧洞對原滲流場有一定的擾動作用，滲流場重新分布。河床內(nèi)滲透坡降分布均勻，數(shù)值較小。在兩岸提防內(nèi)形成梯度增加的滲透坡降分布，較大值出現(xiàn)在堤防粉土層區(qū)域，左堤最大值為0.306，右堤最大值為0.289，均小于允許滲透坡降0.34，不構(gòu)成滲透破壞。與工況一相比，隧洞施工后的滲透坡降分布和最大值并沒有較大變化。

圖11 左堤施工后滲流坡降分布

圖12 右堤施工后滲流坡降分布

圖13、14為隧洞建成后正常運行一段時間后，河床再次抵御最高洪水時的滲透流速矢量分布圖，由圖可看出，右堤由于防滲墻的存在，一定程度上改變了滲流路徑，起到了一定阻滲作用。

圖13 左堤施工后滲流流速矢量分布

圖14 右堤施工后滲流流速矢量分布

4 結(jié)語

（1）管道穿越堤防，施工過程中會對堤防穩(wěn)定產(chǎn)生影響，定量的評價管道對堤防產(chǎn)生的影響是必要的。

（2）采用ANSYS軟件中的滲流場分析對管道穿越堤防工程進(jìn)行建模，分析計算不同工況下，管道施工及工程建成后對河道堤防產(chǎn)生的影響，結(jié)果可靠，分析方法合理， 為建設(shè)項目對堤防的影響提供了可靠數(shù)據(jù)，保障了河道的行洪安全。