复杂地基水闸渗流计算分析

◎ 于洪亮 江苏省江都水利工程管理处

1.水闸渗流的计算分析

当前对于水闸的渗流问题，国内众多科研人员非常的重视，并对水闸的渗流计算加以计算和改进，最终获得了众多且成熟的研究成果。李飞运用有限元软件对渗流问题加以分析，并和《水闸设计规范》改进阻力系数法的计算进行比较，结果显示有限元软件能够更加快捷的对渗流问题进行计算。当前对于地基较为复杂的多层次软土地基之上的多桩加固渗流计算的研究比较少，对于建立在特别恶劣的地质环境之上的水闸渗流问题，应当提高对其的重视。所以在下文以国内某地的水库作为研究案例，利用GeoStudio仿真模拟软件针对建立在多层次较为复杂的地基之的水闸渗流进行研究与分析，以此为后续其它类似的工程在对渗流的稳定性加以计算时提供有利的参考基础。

GeoStudio有限元计算软件对于渗流的计算主要是基于达西定律，其在非饱和区域以及饱和区域中的计算基本一致。因此计算时运用平面二维渗流的方程进行计算，公式如下：

式中：h—代表总水头，m；kx—代表方向的渗透系数，m/s；ky—代表方向的渗透系数，m/s；Q—代表边界的渗透流量，m3/d;

另外，水头的边界条件h=f1（x，y）；流量边界人条件Q=f2（x，y）。运用GeoStudio有限元计算软件的SEEP/W模块能够计算出该边值的有关问题。

2.工程实例分析

（1）工程简介。对位于国内某地水库的水闸出现的渗流加以计算，其地下主要轮廓线如下图1。该水闸的地基处于运用钻孔灌注桩的方式予以加固处理，具体分布呈现沿x轴水平方向三排，本次计算则选取二维剖面开展，其中灌注桩的长度为7.7m，直径为0.5m，灌注桩间的距离为7m。水闸的具体高程见下图1。水闸的所处的地质条件为第四纪时期全新世（Q4）。经过现场的实际勘查显示，土壤的主要特征为：首层是粉土，具体深度为7m；二层是粉砂，深度为5m。水闸的上游水位达到15m，而下游的水位则为地面高程12m。

图1 水闸地下主要轮廓线现状图

图2 渗流计算模型图

表1 水闸渗透系数

（2）水闸不同钻孔灌注桩的分布下有限元的实施。针对不同的工况，即钻孔灌注桩运用沿x轴呈三排进行分布，上游和铺盖的连接位置运用单桩进行分布，具体模型见下图2。然后对两种不同的渗流加以对比和分析。通过利用GeoStudio有限元计算软件对水闸闸门的渗漏进行计算，GeoStudio自动对网格进行划分，总计9349个节点并分成9037个单元。具体的渗透参数如下表1所示。

通过计算得出以下结果（图3、图4），图3-a为三桩式水闸闸门的渗流矢量。此次分析的结果显示，水流通过压力水头的作用下而从水闸的上游顺下游的方并绕过灌注桩进而产生渗流。最初在水闸上游的铺盖处，渗流矢量表现出逐渐提高的状态，由此在灌注桩区域内逐步的向下减小，最终出现绕桩运动；在灌注桩的下端区域内，水流的渗流矢量较为密集并在灌注桩之间形成环形的渗流，而在水闸的底部结构区域，其所呈现的渗流矢量较为稀疏。上述表明，起加固作用的灌注桩同时起了防水椎幕的功能。在水闸的下游位置排出渗流，而此时的渗流矢量则呈现较为均匀且分散的运动状态。

三桩水闸渗流人总水头等势图如图4-a，根据此次分析的结果显示，在较为和复杂且软弱的地基内，受灌注桩的影响而致使等势线分布在软土地基二层中，并且在灌注桩下端的分布呈现散射的状态；另外，水头大小的分布状态随灌注桩的分布具有较为显著的规律。所以在遇到此类地基较为复杂的工程时，可以对灌注桩的深度加以有效的控制来避免水头作用的不利影响。

由上图4-a的结果可以看出，伴随渗流以闸上游向下游运动过程中，其总水头正一步一步减小。在水闸上游的铺盖位置到第一根灌注桩，其总水头的分布范围为l4.1～l4.8m，在此期间的水头作用最高，因此出现的渗流矢量同亲较大；而在第一根桩和第二桩间，其总水头的分布十分均匀，保持在14～14.4m，而此时的渗流矢量呈现逐步降低的势态；第二根桩和第三根桩间，其总水头保持在12.6～l3.2m之间，并且呈现均匀的状态，而此时的渗流矢量最小；而到水闸的下游时，总水头保持在l2～l2.4m，并呈现较为均匀的分布特点，此时的渗流矢量已经达到最小，并且比较松散。

经过对多桩下水闸渗流计算加以分析表明，水闸下方的灌注桩对总水头的势能和渗流矢量具有较大的影响，所以根据桩的不同分布形式，进一步对渗流的加以对比分析。和三根桩的分布相比而方，单根桩所出现的渗流矢量十分均匀，整体的趋势和三根桩的分布基本相同，均围绕桩的下端而渗流。最后从水闸的下游予以排出。但是，受单桩分布的影响而致使水闸底部水流的渗流矢量密集度更高，并且由渗流所导致闸底的扬压力较高，对水闸的稳定性造成不利的影响，因此对其不能忽视，具体如图3-b。

单桩水闸水渗流的总水头等势为图4-b所示，从图中可以看到，单桩的底部两侧具有非常显著的差别。水闸上游出口的水头显著高于下游。和多桩的分布形式对比来讲，单桩的端头水势呈现多层次的伞状形状予以分布，并且在水闸的内部结构中，水头的势能密集度更高。并且单桩分布的水闸，其内部的势能发生的变化更加明显且呈现不利的状态，但地基的总水头势能显著低于多桩分布，导致此现象的主要原因是因为多桩分布致使地基具有更高的稳定性，渗流矢量局限于桩间而致使总水头势能逐步提高而导致。

3.结语

图3 渗流矢量

图4 渗流总水头等势

当前在水闸防渗和排水的相关设计中，对渗流进行计算主要是为了获取渗流区域的渗透流量、梯度、压力等方面实际的数值，利用GeoStudio软件可以更加快捷的对水闸渗流予以计算，进而为提升水闸的使用年限而提供相应的参考。