復雜地基水閘滲流計算分析

◎ 于洪亮 江蘇省江都水利工程管理處

1.水閘滲流的計算分析

當前對于水閘的滲流問題，國內眾多科研人員非常的重視，并對水閘的滲流計算加以計算和改進，最終獲得了眾多且成熟的研究成果。李飛運用有限元軟件對滲流問題加以分析，并和《水閘設計規(guī)范》改進阻力系數(shù)法的計算進行比較，結果顯示有限元軟件能夠更加快捷的對滲流問題進行計算。當前對于地基較為復雜的多層次軟土地基之上的多樁加固滲流計算的研究比較少，對于建立在特別惡劣的地質環(huán)境之上的水閘滲流問題，應當提高對其的重視。所以在下文以國內某地的水庫作為研究案例，利用GeoStudio仿真模擬軟件針對建立在多層次較為復雜的地基之的水閘滲流進行研究與分析，以此為后續(xù)其它類似的工程在對滲流的穩(wěn)定性加以計算時提供有利的參考基礎。

GeoStudio有限元計算軟件對于滲流的計算主要是基于達西定律，其在非飽和區(qū)域以及飽和區(qū)域中的計算基本一致。因此計算時運用平面二維滲流的方程進行計算，公式如下：

式中：h—代表總水頭，m；kx—代表方向的滲透系數(shù)，m/s；ky—代表方向的滲透系數(shù)，m/s；Q—代表邊界的滲透流量，m3/d;

另外，水頭的邊界條件h=f1（x，y）；流量邊界人條件Q=f2（x，y）。運用GeoStudio有限元計算軟件的SEEP/W模塊能夠計算出該邊值的有關問題。

2.工程實例分析

（1）工程簡介。對位于國內某地水庫的水閘出現(xiàn)的滲流加以計算，其地下主要輪廓線如下圖1。該水閘的地基處于運用鉆孔灌注樁的方式予以加固處理，具體分布呈現(xiàn)沿x軸水平方向三排，本次計算則選取二維剖面開展，其中灌注樁的長度為7.7m，直徑為0.5m，灌注樁間的距離為7m。水閘的具體高程見下圖1。水閘的所處的地質條件為第四紀時期全新世（Q4）。經(jīng)過現(xiàn)場的實際勘查顯示，土壤的主要特征為：首層是粉土，具體深度為7m；二層是粉砂，深度為5m。水閘的上游水位達到15m，而下游的水位則為地面高程12m。

圖1 水閘地下主要輪廓線現(xiàn)狀圖

圖2 滲流計算模型圖

表1 水閘滲透系數(shù)

（2）水閘不同鉆孔灌注樁的分布下有限元的實施。針對不同的工況，即鉆孔灌注樁運用沿x軸呈三排進行分布，上游和鋪蓋的連接位置運用單樁進行分布，具體模型見下圖2。然后對兩種不同的滲流加以對比和分析。通過利用GeoStudio有限元計算軟件對水閘閘門的滲漏進行計算，GeoStudio自動對網(wǎng)格進行劃分，總計9349個節(jié)點并分成9037個單元。具體的滲透參數(shù)如下表1所示。

通過計算得出以下結果（圖3、圖4），圖3-a為三樁式水閘閘門的滲流矢量。此次分析的結果顯示，水流通過壓力水頭的作用下而從水閘的上游順下游的方并繞過灌注樁進而產生滲流。最初在水閘上游的鋪蓋處，滲流矢量表現(xiàn)出逐漸提高的狀態(tài)，由此在灌注樁區(qū)域內逐步的向下減小，最終出現(xiàn)繞樁運動；在灌注樁的下端區(qū)域內，水流的滲流矢量較為密集并在灌注樁之間形成環(huán)形的滲流，而在水閘的底部結構區(qū)域，其所呈現(xiàn)的滲流矢量較為稀疏。上述表明，起加固作用的灌注樁同時起了防水椎幕的功能。在水閘的下游位置排出滲流，而此時的滲流矢量則呈現(xiàn)較為均勻且分散的運動狀態(tài)。

三樁水閘滲流人總水頭等勢圖如圖4-a，根據(jù)此次分析的結果顯示，在較為和復雜且軟弱的地基內，受灌注樁的影響而致使等勢線分布在軟土地基二層中，并且在灌注樁下端的分布呈現(xiàn)散射的狀態(tài)；另外，水頭大小的分布狀態(tài)隨灌注樁的分布具有較為顯著的規(guī)律。所以在遇到此類地基較為復雜的工程時，可以對灌注樁的深度加以有效的控制來避免水頭作用的不利影響。

由上圖4-a的結果可以看出，伴隨滲流以閘上游向下游運動過程中，其總水頭正一步一步減小。在水閘上游的鋪蓋位置到第一根灌注樁，其總水頭的分布范圍為l4.1～l4.8m，在此期間的水頭作用最高，因此出現(xiàn)的滲流矢量同親較大；而在第一根樁和第二樁間，其總水頭的分布十分均勻，保持在14～14.4m，而此時的滲流矢量呈現(xiàn)逐步降低的勢態(tài)；第二根樁和第三根樁間，其總水頭保持在12.6～l3.2m之間，并且呈現(xiàn)均勻的狀態(tài)，而此時的滲流矢量最?。欢剿l的下游時，總水頭保持在l2～l2.4m，并呈現(xiàn)較為均勻的分布特點，此時的滲流矢量已經(jīng)達到最小，并且比較松散。

經(jīng)過對多樁下水閘滲流計算加以分析表明，水閘下方的灌注樁對總水頭的勢能和滲流矢量具有較大的影響，所以根據(jù)樁的不同分布形式，進一步對滲流的加以對比分析。和三根樁的分布相比而方，單根樁所出現(xiàn)的滲流矢量十分均勻，整體的趨勢和三根樁的分布基本相同，均圍繞樁的下端而滲流。最后從水閘的下游予以排出。但是，受單樁分布的影響而致使水閘底部水流的滲流矢量密集度更高，并且由滲流所導致閘底的揚壓力較高，對水閘的穩(wěn)定性造成不利的影響，因此對其不能忽視，具體如圖3-b。

單樁水閘水滲流的總水頭等勢為圖4-b所示，從圖中可以看到，單樁的底部兩側具有非常顯著的差別。水閘上游出口的水頭顯著高于下游。和多樁的分布形式對比來講，單樁的端頭水勢呈現(xiàn)多層次的傘狀形狀予以分布，并且在水閘的內部結構中，水頭的勢能密集度更高。并且單樁分布的水閘，其內部的勢能發(fā)生的變化更加明顯且呈現(xiàn)不利的狀態(tài)，但地基的總水頭勢能顯著低于多樁分布，導致此現(xiàn)象的主要原因是因為多樁分布致使地基具有更高的穩(wěn)定性，滲流矢量局限于樁間而致使總水頭勢能逐步提高而導致。

3.結語

圖3 滲流矢量

圖4 滲流總水頭等勢

當前在水閘防滲和排水的相關設計中，對滲流進行計算主要是為了獲取滲流區(qū)域的滲透流量、梯度、壓力等方面實際的數(shù)值，利用GeoStudio軟件可以更加快捷的對水閘滲流予以計算，進而為提升水閘的使用年限而提供相應的參考。