Autobank 閘基滲流計(jì)算與改進(jìn)阻力系數(shù)法對(duì)比分析

李騰

（安徽省阜陽市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 阜陽 236000）

土基上的水閘建成擋水后，在上下游水位差的作用下，將在閘基土體內(nèi)產(chǎn)生滲流，當(dāng)閘基滲流產(chǎn)生的滲透流速或水力坡降超過閘基土體容許滲流坡降時(shí)，將會(huì)引起土體的滲透變形，若滲透變形持續(xù)發(fā)展，可能使閘基掏空、沉陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致水閘斷裂和倒塌破壞；另外，閘基滲流對(duì)閘室底板產(chǎn)生向上的滲透壓力，減小了閘室的有效重量，也會(huì)降低閘室的抗滑穩(wěn)定性。為了防止水閘產(chǎn)生滲流破壞，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行閘基滲流計(jì)算。閘基滲流屬于有壓滲流，一般為平面問題，當(dāng)確定地下輪廓布置后，即可進(jìn)行滲流計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果合理進(jìn)行地下輪廓線的布置，并采取必要的防滲排水措施，以保證工程設(shè)計(jì)的安全性、技術(shù)措施的可靠性及建筑物的安全運(yùn)行。

1 工程概況

1.1 前池翻水涌沙現(xiàn)象

原上堵口電力排灌站安裝清污機(jī)時(shí)將前池水排凈，發(fā)現(xiàn)前池和進(jìn)水池底板均存在翻水涌沙現(xiàn)象，前池底板存在三處涌沙點(diǎn)，其中中間位置涌沙量較大，當(dāng)時(shí)外河水位高于內(nèi)河水位，其細(xì)砂層地基已經(jīng)遭到破壞，有發(fā)生滲透破壞的隱患。為保證泵站安全運(yùn)行和淮河大堤的安全，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行截滲墻圍封處理。

建筑物持力層為第3 層為細(xì)～中砂，閘基滲流計(jì)算近似考慮高程8.0m 以下為相對(duì)不透水層。

1.2 工程地質(zhì)

勘探深度范圍內(nèi)分布的地層為第四紀(jì)晚更新世沖積層（Q3al）；土層自上而下分述如下。第1 層為粉質(zhì)黏土夾重粉質(zhì)壤土（Q3al），黃色、灰黃色，可塑～硬塑，多受鐵錳質(zhì)浸染，一般含有細(xì)粒鐵錳質(zhì)結(jié)核，中壓縮性；層底高程18.05～20.31m，平均19.03m，層厚0.70～5.30m，平均3.58m。

第2 層為中粉質(zhì)壤土（Q3al），局部為輕粉質(zhì)壤土，灰黃、青灰等色，可塑狀，中壓縮性。可見水平微層理，局部夾細(xì)砂及少量腐殖物；層底高程16.66～19.21m，平均17.73m，層厚0.40～2.70m，平均1.35m。

第3 層為細(xì)～中砂（Q3al），局部夾少量粗砂。灰黃、棕黃、青灰等色，稍密～中密。層底高程7.92～16.21m，平均11.54m，層厚1.90～9.90m，平均6.47m。

第4 層為重粉質(zhì)壤土夾中粉質(zhì)壤土（Q3al），灰綠、棕黃、青灰等色，硬塑，局部為可塑狀，局部可見層理，并夾少量砂礓，低壓縮性；層底高程-2.34～8.97m，平均3.61m，層厚0.90～12.3m，平均6.41m。

2 滲流計(jì)算原理

2.1 Autobank 軟件

Autobank 軟件由河海大學(xué)研究開發(fā)，內(nèi)部采用有限元技術(shù)，可對(duì)水閘、涵洞、土壩、堤防等水工建筑物進(jìn)行分析計(jì)算。該軟件在滲流、穩(wěn)定、變形、應(yīng)力分析計(jì)算等方面表現(xiàn)突出，通過建立計(jì)算模型并添加模型邊界條件，用有限元方法求解二維滲流控制方程，解決各向同性、各向異性、多層地基和復(fù)雜斷面情況下的滲流場(chǎng)分析問題，穩(wěn)定滲流場(chǎng)分析輸出等勢(shì)線、浸潤(rùn)線、流線（流網(wǎng)）、滲流量、滲透力、水頭坡降等，可以得到任意點(diǎn)的滲流數(shù)據(jù)、任意斷面流場(chǎng)數(shù)據(jù)分布圖。

對(duì)于穩(wěn)定滲流，符合達(dá)西定律的非均各向異性二維滲流場(chǎng)，水頭勢(shì)函數(shù)滿足微分方程，見公式（1）。

求解滲流場(chǎng)的關(guān)鍵是確定浸潤(rùn)線位置，Autobank采用節(jié)點(diǎn)流量平衡法通過迭代計(jì)算自動(dòng)確定浸潤(rùn)線位置和滲流量。

2.2 改進(jìn)阻力系數(shù)法

在《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265—2016）附錄C 中，改進(jìn)阻力系數(shù)法把閘基不透水底部地下輪廓線分成三個(gè)基本段，包括進(jìn)出口段、內(nèi)部垂直段、水平段。

2.2.1 地基有效深度計(jì)算

當(dāng)計(jì)算的Te值大于地基實(shí)際深度時(shí)，Te值應(yīng)按地基實(shí)際深度采用。

式中：Te為土基上水閘的地基有效深度（m）；L0為地下輪廓的水平投影長(zhǎng)度（m）；S0為地下輪廓的垂直投影長(zhǎng)度（m）。

2.2.2 分段阻力系數(shù)計(jì)算

進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)：

式中：ξ0為進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)；S 為板樁或齒墻的入土深度（m）；T 為地基透水層深度（m）。

內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)：

式中：ξy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

水平段的阻力系數(shù)：

式中：ξx為水平段的阻力系數(shù)；S1、S2為進(jìn)、出口板樁或齒墻的入土深度（m）。

3 水閘底板不設(shè)截滲墻閘基滲流計(jì)算

3.1 Autobank 滲流計(jì)算報(bào)告

3.1.1 計(jì)算工況

閘上水位為20.80m，閘下水位為14.00m。

3.1.2 材料參數(shù)

材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

3.1.3 計(jì)算模型

模型見圖1。

圖1 有限元網(wǎng)格圖

3.1.4 計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 水壓等值線圖

圖3 水力坡降等值線圖

3.2 改進(jìn)阻力系數(shù)法

3.2.1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

見圖4。

圖4 改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.2.2 計(jì)算成果

計(jì)算成果見表2。

表2 滲透水力坡降計(jì)算表

4 水閘底板下設(shè)截滲墻閘基滲流計(jì)算

4.1 Autobank 軟件

見圖5、圖6。

圖5 水壓等值線圖

圖6 水力坡降等值線圖

4.2 改進(jìn)阻力系數(shù)法

滲透水力坡降計(jì)算見表3。

表3 滲透水力坡降計(jì)算表

5 Autobank 與改進(jìn)阻力系數(shù)法成果對(duì)比

Autobank 軟件與改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算滲流坡降最大值成果對(duì)比見表4。

表4 滲流坡降最大值成果對(duì)比表

6 結(jié)論

1）Autobank 適用于各向同性、各向異性、多層地基和復(fù)雜土質(zhì)地基；改進(jìn)阻力系數(shù)法是近似計(jì)算方法，適用于均質(zhì)、各向同性單層土質(zhì)地基。

2）Autobank 不考慮地基有效深度；改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算地基有效深度取值需考慮地基實(shí)際深度。Autobank 計(jì)算與地基滲透系數(shù)有關(guān)；改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算只與地下輪廓線有關(guān)。

3）水閘底板設(shè)截滲墻時(shí)，墻后浸潤(rùn)線已脫離底板（見圖6 虛線條），Autobank可以較真實(shí)反應(yīng)滲流情況。Autobank 計(jì)算結(jié)果比改進(jìn)阻力系數(shù)法明顯偏小。Autobank 計(jì)算成果有水頭、水壓、滲流流量、滲流力、x 水力坡降、y 水力坡降、x 流速、y 流速；改進(jìn)阻力系數(shù)法只計(jì)算水頭、水壓、滲流流量、水力坡降。

4）水閘底板不設(shè)截滲墻時(shí)，兩種計(jì)算方法所得成果基本一致，均需進(jìn)行截滲墻處理；處理后，兩種計(jì)算方法所得成果稍有差別，但效果明顯，均滿足規(guī)范要求。

綜上所述，兩種計(jì)算方法可相互驗(yàn)證使用。土基上水閘基底滲透壓力計(jì)算可采用改進(jìn)阻力系數(shù)法；復(fù)雜土質(zhì)地基上的重要水閘，應(yīng)采用數(shù)值計(jì)算法，其計(jì)算速度快，計(jì)算精度高，可為其他類似水利工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒