分洪道三维渗流场分析

李 伟

(国核电力规划设计研究院有限公司,北京 100096)

为了深入研究分洪道渗透的稳定性，本文对河道进行稳定渗流分析，研究洪水期分洪道边坡和地基的渗流场特性[1-4]，分析和评价土层的渗透稳定性[6-8]，并提出和论证合理的工程措施。

1 有限元模型

根据分洪道布置及水文地勘等基础资料，建立分洪道三维有限元计算模型。分洪道计算模型的范围：该模型上下游方向长度为20 m，东西侧方向宽度为100 m，高度约28 m，沟底标高为2.80 m，边坡坡比为1∶1.5。模型截取范围和主要剖面位置示意图如图1所示。

2 稳定渗流分析

2.1 边界条件设置

计算模型边界[5]设为：分洪道水位以下的沟道及边坡为已知水位边界；分洪道两侧地下水位以上的边坡为出渗边界；分洪道底面假定不透水。

2.2 计算参数及工况

本次研究采用三维渗流有限元方法进行计算，分析渗流场的特性。计算时分洪道内水位为7.200 m，地下水位标高为2.800 m。

2.3 计算成果分析

通过计算，渗流场的位势分布如图2,图3所示。

最大渗透坡降如表1所示。

表1 最大渗透坡降

通过计算可以看出：

1)地下水位势分布。

由地下水位等值线图3可知：洪水期，分洪道内水补给边坡两侧地下水。洪水期地下水位(浸润面)等值线沿分洪道轴线的变化不大，但由于地层厚度变化、渗透性不同，地下水位等值线并非完全是直线。沿横剖面方向洪水期地下水位等值线在分洪道边坡入渗点附近较密。这些部位水头损失较大，渗透坡降较大。

从横剖面地下水渗流等值线图2可以看出：洪水期，浸润面在边坡入渗点附近降落最为明显，其次是在边坡出逸侧附近，这些部分渗透坡降较大。

2)渗透坡降。

比较计算成果，土的渗透系数越小，最大渗透坡降(均出现在入渗点附近)越大，而背水坡渗流出口附近的渗透坡降越小。这与地下水位势分布吻合，渗透系数越小，该段的渗流进口的水头损失就越大，渗流出口附近的水头损失也就越小。从横剖面来看，洪水期，在给定的地下水位2.80 m情况下，渗流在边坡背水侧附近出逸，一般是底部渗透坡降较大。

值得注意的是，在施工时，地下水位较高，渗流在开挖边坡上出逸，且渗透坡降较大，在开挖施工过程中应重视基坑降水，必要时需采取工程措施防止渗透变形，确保边坡安全。

3)渗透流量。

渗流量计算方向为由分洪道流向两侧。其中上游侧指近分洪道中心线一侧，下游侧指远离分洪道中心一侧。

洪水期东侧的单宽渗流量为6.17E-06 m3/s，最大渗透坡降为0.579；西侧的单宽渗流量为7.73E-06 m3/s，最大渗透坡降为0.458；东西侧的总单宽渗流量为1.39E-05 m3/s。

3 结论和建议

综合以上计算分析可以看出，沟道底部等势线密集，渗透坡降较大；渗流出口附近的渗透坡降也较大。但是，其最大渗透坡降均满足要求。因此，结构在渗流作用下是稳定的。