基于Autobank的湖西大堤采煤塌陷段滲流分析

段 超，余金煌

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

堤防工程是水利工程的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計，約40%的堤防破壞是由滲流問題引起的，滲流安全已成為影響堤防安全的主要因素，滲流安全分析成為堤防安全評價必不可少的一部分[1]。19世紀，法國學者 Darcy 提出滲流理論，揭示了飽和土體中水的滲流速度和坡降呈線性關(guān)系[2]。之后，Zienkiewicz等[3]運用復變函數(shù)及有限元法，進一步研究了滲流理論。計算機技術(shù)的迅速發(fā)展為數(shù)值計算提供了支撐，有限元法在滲流分析中得到了較好的應(yīng)用。賈大周等[4]以有限元程序 GEO-STUDIO 中 SEEP/W 模塊作為主要計算工具，對桐柏縣病險水庫水簾水庫溢流壩段進行仿真模擬分析。楊旭等[5]利用SEEP /W 有限元軟件對不同滲透系數(shù)的CSG堤壩進行了分析?？茏匝骩6]以守口堡水庫工程為例，基于ADINA軟件對膠凝砂礫石壩進行滲流分析。然而，ADINA、SEEP /W等有限元滲流分析軟件建模復雜，不能解決較有針對性的專業(yè)問題。

Autobank能較好地解決各向同性、各向異性、多層地基和復雜斷面情況下的滲流場分析問題。本文以湖西大堤孔莊煤礦采煤塌陷段堤防工程為例，基于Autobank有限元軟件，在不同工況下對堤防進行滲流計算，旨在為相似工程的堤防滲流計算提供參考，并為其堤防安全評價提供科學依據(jù)。

1 工程概況及工程地質(zhì)

1.1 工程概況

湖西大堤結(jié)合南四湖湖西京杭運河，北起濟寧市西石佛老運河口，南至江蘇省徐州市藺家壩船閘，全長130.8 km。孔莊礦區(qū)處于南四湖湖西大堤的范圍內(nèi)，全長3.3 km。因生產(chǎn)發(fā)展需要，2004—2006年，在灘南挖工莊河閘北、湖西堤下及附近回采多個工作面，可能造成湖西大堤和灘面塌陷下沉，給堤防的防汛安全帶來影響。

堤防現(xiàn)場調(diào)查情況：①堤身順直，迎、背水側(cè)坡面較平整；②堤頂路面無明顯裂縫，無明顯塌陷；③堤肩、堤腳處無明顯滲漏情況；④無其他異常情況。

1.2 工程地質(zhì)

湖西大堤地處濱湖堆積平原，為第四紀河湖相沖積物，土層自上而下為：①層素填土層，呈棕黃、褐黃、灰黃，局部為灰黑色，以粘土、重粘土、粉質(zhì)粘土為主，夾中、輕粉質(zhì)壤土；②層粘土層，呈棕黃、灰黃，局部為淺灰、黃灰色，局部為含腐殖質(zhì)及碎貝殼，軟塑～可塑狀態(tài)，中壓縮性，厚度0.5～3.9 m；③層粉質(zhì)重粘土夾輕粉質(zhì)壤土層，呈黃灰色、淺灰、灰黃、灰色，夾輕粉質(zhì)壤土，含少量腐殖質(zhì)及碎貝殼,可塑狀態(tài)，中壓縮性，該層普遍分位于場地區(qū)，厚度為0.6～2.9 m；④層粉質(zhì)粘土層，頂部呈灰微夾黃色，漸變?yōu)榛尹S、黃夾灰色，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，偶見小砂礓，可塑狀態(tài)，中壓縮性，厚度為1.0～3.3 m。

2 滲流計算

2.1 計算斷面的選取

由于湖西大堤斷面型式不相同，選取1個典型斷面進行滲流計算分析，即樁號82+000。樁號82+000的典型斷面尺寸的實測值及設(shè)計值見表1。

表1 樁號82+000的典型斷面尺寸的實測值及設(shè)計值

2.2 滲流的基本方程

不可壓縮流體在剛性介質(zhì)中流動的連續(xù)性方程為：

(1)

將上述vx,vy,vz代入式(1)中，得到穩(wěn)定滲流基本微分方程：

(2)

當各向滲透系數(shù)是常數(shù)時，式(2)可化為：

(3)

當kx=ky=kz時，即土體為勻質(zhì)各向同性時，式(3)就化為:

(4)

式(4)為拉普拉斯方程。

2.3 計算參數(shù)

根據(jù)歷史資料及類似工程參數(shù)確定滲流計算參數(shù)[7]，見表2。

表2 滲流計算參數(shù)

2.4 計算模型

2.4.1計算范圍與約束

按照實際地理位置選取堤防迎水側(cè)，背水側(cè)取至離堤腳30 m以外，底部邊界取至高程為20 m處。兩端邊界條件為水平方向位移約束，豎直方向自由；下端基巖邊界為水平和豎直方向約束；坡面無約束，為自由面。

2.4.2定義加載步

為得到較真實的地基應(yīng)力，先計算地基(位移清零)。加載步0為地基重力；加載步1為壩體材料分區(qū)；加載步2為運行期的荷載步靜水壓力、淤沙壓力、揚壓力。加載方式為從加載步0至加載步2逐級完成加載。

2.4.3單元剖分

采用三角形單元剖分，單元步長為3 m。因堤腳處最易發(fā)生滲流問題，所以對浸潤線以下的背水坡、迎水坡堤腳處進行加密劃分，單元步長縮小至0.1 m。

2.5 計算工況

滲流計算選取2種工況。工況1：迎水側(cè)設(shè)計水位36.66 m至背水側(cè)相應(yīng)的水位(背水側(cè)平堤腳)；工況2：迎水側(cè)水位由設(shè)計水位36.66 m驟降至常水位34.36 m。

2.6 臨界滲透坡降

根據(jù)文獻[1]中淹沒出滲坡面的臨界坡降計算。堤壩坡面的出滲示意圖如圖1所示。圖1展示了堤壩淹沒在水中的坡面BD附近的出滲流網(wǎng)，流線或滲透力的方向與坡面BD正交，所以，可以把土體浮容重分解為垂直坡面和沿坡面方向的分力γ'1sinβ和γ'1cosβ，以分析坡面各點的穩(wěn)定性。

圖1 堤壩坡面的出滲示意圖

土料間的摩擦力和凝聚力沿滲流方向的分力分別為-γ'1sinβtgφ及-C。

由力的極限平衡式：

γJc-γ'1cosβ-γ'1sinβtgφ-C=0

(5)

可得臨界滲透坡降：

(6)

式(6)中，土力學指標φ及C在所述滲流出口處的值一般小于試驗方法所得到的值，tgφ約小1.5～2.0倍，C約小2～3倍。

由土體浮容重沿坡面的分力與阻滑力的極限平衡式：

γ'1sinβ=(γ'1cosβ-γJc)tgφ+C

(7)

可得臨界坡降：

(8)

式(7)～(8)中，β為坡面與水平面的夾角；γ'1cosβ為土體浮容重垂直坡面方向的分力；γ'1sinβ為土體浮容重沿坡面方向的分力；γJc為滲透力；φ為土粒內(nèi)摩擦角；tgφ為土的內(nèi)摩擦系數(shù)；C為單位土體的粘聚力。

比較式(6)和式(8)可知，土料沿坡面下滑的臨界出滲坡降遠小于垂直坡面頂沖的臨界出滲坡降，因而用式(8)核算堤壩壩坡的局部滲流穩(wěn)定。結(jié)合地質(zhì)勘察資料及土工試驗數(shù)據(jù)[8]，式(8)中tgφ及C的折減系數(shù)取1/3，計算得到臨界坡降[Jc]=0.33。

2.7 計算成果

不同工況下樁號82+000的滲流等勢線如圖2所示，其滲流計算結(jié)果見表3。從圖2和表3可知，該計算斷面的浸潤線較低，堤坡出逸點處的出逸坡降均小于土的臨界坡降，出逸點的高程較低，所以計算斷面的滲流流態(tài)較安全，且符合規(guī)范要求[9-10]。堤防運行現(xiàn)狀較好，沒有發(fā)現(xiàn)堤防散浸，說明Autobank計算結(jié)果與堤防實際情況基本吻合，所以堤防計算斷面處的滲流沒有安全隱患。

(a) 工況1

(b) 工況2圖2 不同工況下樁號82+000的滲流等勢線

表3 樁號82+000的滲流計算結(jié)果

3 結(jié)論

基于AutoBank有限元軟件，建立湖西大堤煤礦塌陷段堤防模型，根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果，綜合現(xiàn)場實際調(diào)查情況，選取堤防的1個典型計算斷面進行滲流分析計算?？紤]堤防的不利條件，分別對2種不同工況進行滲流計算。根據(jù)Autobank滲流計算結(jié)果，2種不同工況下出逸點滲透坡降均小于臨界值，滲流安全符合規(guī)范要求。