基于Autobank软件的土石坝渗流计算概述

魏雨露?牛岩

摘 要 土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型，在防洪、灌溉、发电、供水、航运、旅游和改善生态方面有巨大的综合效益。本文详细阐述了目前土石坝渗流计算的理论与方法，包括渗流的基本方程及定解条件，介绍水工分析软件Autobank的渗流模块，包括渗流计算的使用过程及边界条件的施加。举例对土石坝实例进行二维渗流分析，计算得到三种水位工况的渗流状态，探讨土石坝稳定渗流状态的规律。计算结果符合一般规律，可作为设计参考。

关键词 土石坝;渗流及渗流计算;边界条件

前言

土石坝作为一种历史悠久工程造价低廉，结构简单，施工方便的坝型，现今仍在世界各地大规模兴建[1]。有资料统计，国内土石坝占所有坝型比重超过百分之六十。据国内大量失事大坝统计，由渗透破坏引起的事故占到4成以上，渗流问题已经是影响土石坝安全的主要因素[2]，其引起的土石坝失事问题不容忽视[3]。

1土石坝渗流计算原理

由于水工建筑物的壅水作用，在其上下游形成水位差，上游的水在这水压力作用下就会通过坝基渗到下游，水的渗流就指在水压坡降的作用下穿过土或其他散粒体中连通孔隙发生的流动现象[4]。广义的渗流是指液体在孔隙中的流动，其流动的性质取决于作为渗流骨架的岩土性质与流体自身的性质。由于介质的空隙大小形状及其分布异常复杂，没有规律可循，很难用孔隙形式描述其渗透性，也不能像地表水那样探求水流质点的真实流速，所以在渗流分析中常用平均概念及其综合性的量来表征渗流性质。

2.1 基本方程

假定渗透水流在岩土骨架内流动时做低雷诺数的层流运动，此时渗透水的运动符合达西线性渗透定律，即水的流速在数值上与其水力坡度成正比。在实际的地下水流中，水力坡度往往是各处不同的，达西定律表达式为：，式中：v为（平均）渗流速度（m/s）;k为介质的渗透系数（m/s）;为水力坡降。

在非饱和渗流中，非饱和渗流问题的连续性方程如下： ，式中：为非饱和渗流场中达西流速在x、y、z三个方向上的分量，为饱和度，。

1.2 渗流场边界条件

定解条件包括初始条件和边界条件。对于饱和-非饱和的渗流场，整个渗流区域可以分为饱和区域和非饱和区域;边界条件包括水头边界、已知流量边界和渗出面边界。因为整体考虑饱和-非饱和的渗流问题，没有必要将自由面作为一种流量补给边界处理。

1.3 渗流计算主要方法

兴建土石坝必须控制通过坝身和地基的渗流，以防止土体因受渗流作用发生危险的冲蚀、滑坡等破坏以及因渗漏损失过大而使工程效益降低，比如水库、蓄水人工湖。渗流分析的任务在于确定求解区域内的自由液面，即浸润线，以及渗流量、水头分布、水压分布、水力坡降等水力要素。这些量在土石坝设计、运行中具有重要的参考价值，是进行边坡稳定分析，选择防渗措施方案的依据[5]。渗流计算能模拟出坝体在给定水位条件下的渗流状态，对保证堤坝安全、更好发挥工程效益以及节约建设投资都有明显的实际意义。渗流计算方法有很多，从方式上可以分为两大类，即理论方法和实验方法。

计算得到三种水位工况下的渗透量如表1所示。从渗透量的趋势上看水位差越大，渗流量越大。

表1 渗透量

工况 渗透系数

设计水位 流量=1.95195e-07（m3/s） 0.0168648（m3/d）

设计洪水位 流量=2.35746e-07（m3/s） 0.0203684（m3/d）

校核洪水位 流量=2.5603e-07（m3/s） 0.0221209（m3/d）

2结束语

滲流问题已经是影响土石坝安全的主要因素，对土石坝进行渗流分析研究也显得意义重大。本文介绍了目前渗流计算的理论方法，包括了渗流场的基本方程以及定解条件，然后对当前水利设计中使用的Autobank软件渗流计算模块进行简要介绍，并分析了一个土石坝算理，计算了设计水位，设计洪水位和校核洪水位三种工况，得到了计算结果符合一般心墙坝渗流规律，计算结果合理。同时也得到渗流计算中水压、水头、水力坡降等量的等值线图，计算结果丰富。二维渗流计算对于断面变化不大的坝体比较符合实际，但对于如在窄河谷上的拦河坝将会产生较大的误差。对于类似这样的工程，三维计算显得很有必要。当前三维计算软件较少，操作较为复杂，而且需要进行一系列的转换，如使用大型通用有限元软件Ansys的温度场计算模块。

参考文献

[1] 牛运光.土坝安全与加固[M].北京：中国水利电力出版社，1998：77-78.

[2] 罗谷怀，甘明辉.土石坝安全论证理论与方法[M].北京：科学出版社，2001：51.

[3] 刘杰.土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训[M].北京：中国水利水电出版社，2006：31-33.

[4] 毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：水利电力出版社，1990：191.

[5] 胡静.水工结构中含排水孔渗流场的分析方法研究[D].武汉：武汉大学博士论文，2003.