AutoBank軟件分析河道堤防的滲流穩(wěn)定性

(江西省贛撫平原水利工程管理局，江西 南昌 330096)

1 概 述

AutoBank軟件是用于滲流計算和穩(wěn)定性分析的重要軟件，其研究對象為堤防、水庫大壩等水工建筑物，它既能計算穩(wěn)定滲流場問題，又能處理非穩(wěn)定飽和滲流場的問題。AutoBank軟件將三維的空間問題巧妙地簡化為二維平面問題，其主界面是依托AutoCAD的界面設(shè)計的，使用者可以在界面中直接繪制簡化模型。在構(gòu)建模型時，使用者應(yīng)定義其寬度、高度、邊坡比等，確定土層的材料和滲透系數(shù)，繪制出臨界水位的高度，根據(jù)這些數(shù)據(jù)AutoBank軟件利用有限元的原理進(jìn)行滲流計算，求解滲流場，并將滲流場的計算結(jié)果以圖表或數(shù)值的型式直觀顯示出來，包括等勢線、浸潤線、流速等值線圖、流速矢量圖、水力坡降等值線圖等[1]。

本文以江西省撫河河道為研究對象，防滲材料采用鈉基膨潤土防水毯，利用AutoBank軟件進(jìn)行滲流計算，分析其實際的作用效果。

鈉基膨潤土防水毯是新型的復(fù)合材料，是由兩層土工合成材料夾封膨潤土，利用針刺、黏結(jié)或縫合工藝等制作而成的，其中起防水作用的主要成分為蒙脫石[2]。在遇水情況下，膨潤土顆粒會迅速膨脹，擠壓顆粒間存在的空氣，形成一層致密的不透水層，從而起到擋水作用。通常可將膨潤土防水毯分為三種型號(見圖1)[3]。

圖1 鈉基膨潤土防水毯的分類

2 防水毯的滲透系數(shù)

作為復(fù)合材料，鈉基膨潤土防水毯的滲透系數(shù)并不是固定不變的，而是隨水頭的變化而變化。張潮等[2]建立了鈉基膨潤土防水毯的室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ?，測得其滲透系數(shù)與水頭成非線性關(guān)系：y=6.97x-0.49，其相關(guān)系數(shù)為R=-0.9481。即水頭越高，防水毯的滲透系數(shù)越小，其防滲效果越優(yōu)越。根據(jù)實際情況，撫河河道水深最深為2.2m。本文選取0.50m、1.00m、1.50m、2.00m四種水頭，利用AutoBank軟件分析在四種水頭作用下的鈉基膨潤土防水毯的防滲效果。在以上四種水頭作用下，求得鈉基膨潤土防水毯的滲透系數(shù)(見表1)。

表1 鈉基膨潤土防水毯的滲透系數(shù)

3 滲流計算

3.1 AutoBank計算流程

利用AutoBank軟件進(jìn)行滲流計算首先要對所選取的斷面進(jìn)行基本假定，將復(fù)雜的工程問題簡化為可數(shù)據(jù)量化的模型(見圖2)。其假定為：滲流服從達(dá)西定律；河道足夠長，具有相似性，故將三維空間問題轉(zhuǎn)化為二維平面，按照平面問題處理；保護(hù)層與防水毯間完全結(jié)合，不存在空洞或縫隙；防水毯平整均勻，滲流系數(shù)固定不變。

圖2 有限元模型建立流程

軟件的應(yīng)用按以下步驟進(jìn)行：

a.打開軟件，進(jìn)入主界面。

b.構(gòu)建簡化模型。定義模型的長度、寬度、高度及邊坡比，繪制斷面的簡化模型，注意模型應(yīng)閉合。定義不同的土層名稱和滲透特性，由于假定撫河河道為穩(wěn)定滲流，則只需定義土層的滲透系數(shù)，并利用不同的顏色對土層加以區(qū)分。

c.單元網(wǎng)格劃分。AutoBank軟件包括兩種網(wǎng)格劃分方式，此次計算利用全自動劃分方式，將模型分為若干個矩形小單元。

d.定義邊界條件。這是滲流計算的依據(jù)，邊界條件包括固定水位邊界和可能出逸邊界等，與水接觸位置為固定水位邊界，在水位以下且不與水接觸位置為可能出逸邊界。

e.求解。利用滲流計算模塊對模型進(jìn)行求解，將所求解的滲流場進(jìn)行輸出和生成。

f.后處理。對輸出的滲流結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)其單寬滲流量和水力梯度的分布規(guī)律。

3.2 計算原理

撫河河道長度較長，流域內(nèi)流速區(qū)域穩(wěn)定，因此可將其看作穩(wěn)定的均勻滲流，符合達(dá)西定律。軟件依據(jù)的計算公式為

該公式應(yīng)用的控制條件為

式中h0——邊界水頭；

n——邊界外法線方向；

z——浸潤線上各點的幾何縱坐標(biāo)值。

3.3 斷面選取

撫河河道線路較長，可以只取一橫截斷面進(jìn)行分析計算。由于河道的左右岸為中軸線對稱分布，且河道較寬，如果取用整個過水?dāng)嗝?，則河道高度與寬度差距過大，并不能在同一界面以同一比例尺表示，所以為使模型更加直觀，求解結(jié)果更明確，此次滲流計算只取河道一側(cè)進(jìn)行簡化(見圖3)，選取1號斷面作為典型斷面。

圖3 1號水面斷面(尺寸單位：cm)

3.4 建立計算模型

根據(jù)斷面結(jié)構(gòu)型式以及AutoBank軟件的計算對象等情況，對所選斷面進(jìn)行合理的簡化。由于壤土層上部的格賓石籠只用于固定和壓實壤土，避免壤土被水流沖刷影響防水毯的效果，并沒有起到實際的防水效果，因此其在簡化斷面中并不體現(xiàn)。在此簡化模型中，只需將起到防滲作用的土層進(jìn)行定義，包括壤土層和防水毯層。簡化后的幾何模型如圖4所示。

圖4 簡化后斷面幾何模型

3.5 確定邊界條件

一般來講，模型的邊界條件主要包括模型的幾何參數(shù)以及邊界上起支配作用的條件。從描述流動的數(shù)學(xué)模型看，邊界條件主要包括兩種形式：固定水位邊界條件和出逸邊界條件。

以1.50m水頭條件下的模型為例，其邊界條件如圖5所示。

圖5 1.5m水頭作用下的斷面邊界條件

3.6 網(wǎng)格劃分圖

網(wǎng)格劃分的前提是計算區(qū)域為閉合性的，此次網(wǎng)格劃分選取全自動的方式，劃分網(wǎng)格后的模型如圖6所示。

圖6 1.5m水頭作用下的斷面網(wǎng)格劃分

4 防滲效果分析

4.1 單寬滲流量

根據(jù)AutoBank軟件的計算輸出結(jié)果，不同水頭作用下的單寬滲流量不同，具有一定的變化規(guī)律(見表2)。

表2 單寬滲流量

以水頭為X軸，對應(yīng)的單寬滲流量為Y軸，畫出兩者之間的關(guān)系曲線(見圖7)。

圖7 單寬滲流量變化曲線

圖7直觀體現(xiàn)了防水毯的單寬滲流量隨水頭的變化趨勢。由圖7的變化曲線可知，不同水頭條件下，防水毯的單寬滲流量也不相同，后者隨水頭的增大而增大。分析變化趨勢可知，由于水頭的增加，使得防水毯承受的水壓變大。盡管鈉基膨潤土防水毯的滲透系數(shù)隨水頭升高而降低，但由于所受壓力變大的影響，使得防水毯的滲透水量隨之增大，導(dǎo)致單寬滲流量變大。

4.2 浸潤線

浸潤線是指滲流在斷面內(nèi)的自由面與橫剖面的交線，即浸潤面與橫剖面的交線[4]。浸潤線可以直觀體現(xiàn)土體中滲流水的自由表面所處位置。確定浸潤線的位置，就可以判斷堤防、大壩等建筑物的滲流是否具有穩(wěn)定性，從而確定水工建筑物是否安全。利用AutoBank軟件能夠直觀顯示不同水頭作用下模型的浸潤線所處位置，據(jù)此可以對防水毯的作用效果進(jìn)行直觀的評價。不同水頭條件下的浸潤線位置見圖8。

圖8 不同水頭作用下斷面的浸潤線

由圖8可知，不同水頭條件下的浸潤線具有一定的相似性，其位于保護(hù)層(即壤土層)以內(nèi)，防水毯層以上。浸潤線的高度與自由水面基本持平。防水毯所承受的水頭越大，則其滲流路徑就越長。

根據(jù)以上4種水頭條件下浸潤線的位置分布規(guī)律可以看出，防水毯層起到了十分顯著的防滲作用，能夠做到少透水甚至不透水，使得河道堤防中滲流非常穩(wěn)定。可以確定，撫河的河道堤防安全性得到了保證。

4.3 水力梯度

水力梯度是指沿滲透路徑水頭損失與滲透路徑長度的比值，反映了滲流沿水流方向在每單位距離上的水頭下降值，也可理解為滲流通過單位長度滲透途徑時，克服摩擦阻力所耗失的機(jī)械能[5]。

以1.50m水頭條件下的模型為例，求解的最大水力梯度值為57.14，位于坡腳處，該處距自由水面最遠(yuǎn)；水位差沿斷面邊坡越來越小，使得水力梯度逐漸降低，到達(dá)自由水面處達(dá)到最小值，為3.18；河道底部水力梯度值與坡腳位置相同。這是因為，坡腳處為距自由水面線垂直距離最大的位置，而在自由水面線處其距離最小。滲流路徑指的是滲透水經(jīng)過保護(hù)層到達(dá)防水毯層的距離，這是一定值，即為保護(hù)層的厚度。

根據(jù)浸潤線的繪制圖形可知，模型的滲透路徑就是保護(hù)層表面到防水毯表面的垂直距離，即保護(hù)層的厚度，該數(shù)值是固定不變的。因此，水頭越大，對防水毯的壓力越大，產(chǎn)生的水力梯度也隨之變大。

現(xiàn)對不同水頭作用下的最大水力梯度值進(jìn)行對比分析，其變化曲線見圖9。

圖9 不同水頭作用下的斷面水力梯度分布

從圖9可看出，隨著水頭的逐漸增加，各斷面的最大水力梯度值也逐漸變大。根據(jù)浸潤線的變化規(guī)律可知，由于水頭的增加，模型滲流途徑變長，其水頭損失的最大值也變大，最大水力梯度值隨之變大。

4.4 分析結(jié)論

對AutoBank軟件所求解的滲流場輸出結(jié)果進(jìn)行分析，可以總結(jié)出以下結(jié)論：

a.隨著水頭的逐漸增加，單寬滲流量逐漸變大。

b.不同水頭條件下的浸潤線延伸方向具有一定的相似性，其位于保護(hù)層(即壤土層)以內(nèi)，防水毯層以上。浸潤線的高度與自由水面基本持平。防水毯所承受的水頭越大，則其滲流路徑就越長。

c.在河道邊坡范圍內(nèi)，水力梯度最大值位于河道斷面的坡腳位置，沿斷面邊坡向上逐漸減小，在水位線處，水力梯度最小；河道底部水力梯度值與坡腳位置數(shù)值相同。

d.隨著水頭的逐漸增加，各斷面的最大水力梯度值也逐漸變大。

5 結(jié) 語

本文利用AutoBank軟件，對撫河河道堤防進(jìn)行簡化，建立計算模型，求解模型的滲流場，根據(jù)單寬滲流量、水力梯度及浸潤線的輸出數(shù)據(jù)，對鈉基膨潤土防水毯的實際效果進(jìn)行評價，判斷堤防的穩(wěn)定性。計算結(jié)果表明:鈉基膨潤土防水毯具有顯著的防滲作用，撫河河道堤防十分穩(wěn)定。