河道洪水期數(shù)值模擬分析研究

李 偉

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)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(wěn)定滲流場，在非穩(wěn)定滲流作用下河道岸坡和地基極易發(fā)生滲透破壞[1- 3]，本文通過采用三維非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流有限元程序計(jì)算模擬，分析評價河道在分穩(wěn)定滲流作用下的滲透特性[4- 7]，并提出相應(yīng)的工程措施。

1 有限元模型

根據(jù)河道結(jié)構(gòu)形式，建立河道三維有限元計(jì)算模型。河道長度為100m，寬度為20m，高度28m，溝底標(biāo)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(jì)算模型

2 河道參數(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告，各地層的滲透系數(shù)及允許滲透坡降見表1。

表1 河道各地層滲透系數(shù)

3 非穩(wěn)定滲流分析

在運(yùn)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(wěn)定的，因此，本文深入分析河道及地基的非穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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?yōu)橐阎^邊界(入滲)，而當(dāng)河道水位降落時，岸坡部分已知水頭邊界又變?yōu)槌鰸B邊界；河道兩側(cè)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(wěn)定滲流分析的初始條件為河道開始行洪時，河道內(nèi)水位為5.30m，河道兩側(cè)地下水位為2.80m，并假定形成穩(wěn)定滲流場。在行洪過程中，假定河道兩側(cè)地下水位保持不變，即地下水位始終為2.80m。

3.2 計(jì)算參數(shù)和時間步長的選取

土體的非穩(wěn)定滲流計(jì)算系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，河道的水位變化過程取5%山洪91年同期潮位計(jì)算典型斷面水位過程，如圖2所示。計(jì)算時，對河道水位變化過程進(jìn)行簡化，簡化后的水位變化歷時曲線如圖3所示。根據(jù)非穩(wěn)定滲流計(jì)算的要求，確定非穩(wěn)定滲流計(jì)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(jì)算典型斷面水位過程

圖3 計(jì)算簡化的水位變化歷時曲線

3.3 計(jì)算工況

根據(jù)圖3，河道內(nèi)水位上漲前，其水位為5.30m，3d內(nèi)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(xù)時間適當(dāng)延長；同時，行洪期間，河道兩側(cè)地下水位取2.80m，保持不變。

3.4 計(jì)算成果分析

為分析河道行洪過程中，岸坡及地基非穩(wěn)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(yīng)的河道水位，見表2。其中T0時刻，即t=0時，為穩(wěn)定滲流情況，岸坡的滲透系數(shù)仍為1.47×10-5cm/s。

根據(jù)圖2所示的5%山洪91年同期潮位，河道水位變化過程進(jìn)行模擬計(jì)算、整理和分析，可得以下非穩(wěn)定滲流場的主要結(jié)果。

表2 非穩(wěn)定滲流分析河道水位與對應(yīng)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(cè)逐漸飽和，但是由于土的滲透系數(shù)較小，飽和區(qū)擴(kuò)大的速度很慢。當(dāng)河道水位上升至最高水位7.20m時，岸坡迎水側(cè)僅很小范圍形成飽和區(qū)；此后，水位逐步下降，但飽和區(qū)仍有一定程度增大；當(dāng)洪水過程結(jié)束時，岸坡內(nèi)滲流飽和區(qū)變化較大的區(qū)域僅限于上游側(cè)。在整個洪水過程中，岸坡中心線下游大部分區(qū)域的位勢場變化不大，但迎水面附近的飽和區(qū)內(nèi)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(xiàn)在岸坡迎水面附近的飽和區(qū)內(nèi)。但該區(qū)域?yàn)闈B流進(jìn)口，且岸坡土性質(zhì)較好，不易發(fā)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(xiàn)在最高洪水位后15h，為0.629。

表3 各時刻最大滲透坡降

4 結(jié)論及建議

通過非穩(wěn)定滲流場的計(jì)算成果可知，該設(shè)計(jì)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(shù)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(nèi)不會形成穩(wěn)定滲流場。

在非穩(wěn)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(xiàn)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(jì)算結(jié)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(shù)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(qū)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(fā)生滲透變形，使其滿足要求。