基于Autobank的湖西大堤采煤塌陷段渗流分析

段 超，余金煌

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

堤防工程是水利工程的重要组成部分。据统计，约40%的堤防破坏是由渗流问题引起的，渗流安全已成为影响堤防安全的主要因素，渗流安全分析成为堤防安全评价必不可少的一部分[1]。19世纪，法国学者 Darcy 提出渗流理论，揭示了饱和土体中水的渗流速度和坡降呈线性关系[2]。之后，Zienkiewicz等[3]运用复变函数及有限元法，进一步研究了渗流理论。计算机技术的迅速发展为数值计算提供了支撑，有限元法在渗流分析中得到了较好的应用。贾大周等[4]以有限元程序 GEO-STUDIO 中 SEEP/W 模块作为主要计算工具，对桐柏县病险水库水帘水库溢流坝段进行仿真模拟分析。杨旭等[5]利用SEEP /W 有限元软件对不同渗透系数的CSG堤坝进行了分析。寇自洋[6]以守口堡水库工程为例，基于ADINA软件对胶凝砂砾石坝进行渗流分析。然而，ADINA、SEEP /W等有限元渗流分析软件建模复杂，不能解决较有针对性的专业问题。

Autobank能较好地解决各向同性、各向异性、多层地基和复杂断面情况下的渗流场分析问题。本文以湖西大堤孔庄煤矿采煤塌陷段堤防工程为例，基于Autobank有限元软件，在不同工况下对堤防进行渗流计算，旨在为相似工程的堤防渗流计算提供参考，并为其堤防安全评价提供科学依据。

1 工程概况及工程地质

1.1 工程概况

湖西大堤结合南四湖湖西京杭运河，北起济宁市西石佛老运河口，南至江苏省徐州市蔺家坝船闸，全长130.8 km。孔庄矿区处于南四湖湖西大堤的范围内，全长3.3 km。因生产发展需要，2004—2006年，在滩南挖工庄河闸北、湖西堤下及附近回采多个工作面，可能造成湖西大堤和滩面塌陷下沉，给堤防的防汛安全带来影响。

堤防现场调查情况：①堤身顺直，迎、背水侧坡面较平整；②堤顶路面无明显裂缝，无明显塌陷；③堤肩、堤脚处无明显渗漏情况；④无其他异常情况。

1.2 工程地质

湖西大堤地处滨湖堆积平原，为第四纪河湖相冲积物，土层自上而下为：①层素填土层，呈棕黄、褐黄、灰黄，局部为灰黑色，以粘土、重粘土、粉质粘土为主，夹中、轻粉质壤土；②层粘土层，呈棕黄、灰黄，局部为浅灰、黄灰色，局部为含腐殖质及碎贝壳，软塑～可塑状态，中压缩性，厚度0.5～3.9 m；③层粉质重粘土夹轻粉质壤土层，呈黄灰色、浅灰、灰黄、灰色，夹轻粉质壤土，含少量腐殖质及碎贝壳,可塑状态，中压缩性，该层普遍分位于场地区，厚度为0.6～2.9 m；④层粉质粘土层，顶部呈灰微夹黄色，渐变为灰黄、黄夹灰色，含铁锰质结核，偶见小砂礓，可塑状态，中压缩性，厚度为1.0～3.3 m。

2 渗流计算

2.1 计算断面的选取

由于湖西大堤断面型式不相同，选取1个典型断面进行渗流计算分析，即桩号82+000。桩号82+000的典型断面尺寸的实测值及设计值见表1。

表1 桩号82+000的典型断面尺寸的实测值及设计值

2.2 渗流的基本方程

不可压缩流体在刚性介质中流动的连续性方程为：

(1)

将上述vx,vy,vz代入式(1)中，得到稳定渗流基本微分方程：

(2)

当各向渗透系数是常数时，式(2)可化为：

(3)

当kx=ky=kz时，即土体为匀质各向同性时，式(3)就化为:

(4)

式(4)为拉普拉斯方程。

2.3 计算参数

根据历史资料及类似工程参数确定渗流计算参数[7]，见表2。

表2 渗流计算参数

2.4 计算模型

2.4.1计算范围与约束

按照实际地理位置选取堤防迎水侧，背水侧取至离堤脚30 m以外，底部边界取至高程为20 m处。两端边界条件为水平方向位移约束，竖直方向自由；下端基岩边界为水平和竖直方向约束；坡面无约束，为自由面。

2.4.2定义加载步

为得到较真实的地基应力，先计算地基(位移清零)。加载步0为地基重力；加载步1为坝体材料分区；加载步2为运行期的荷载步静水压力、淤沙压力、扬压力。加载方式为从加载步0至加载步2逐级完成加载。

2.4.3单元剖分

采用三角形单元剖分，单元步长为3 m。因堤脚处最易发生渗流问题，所以对浸润线以下的背水坡、迎水坡堤脚处进行加密划分，单元步长缩小至0.1 m。

2.5 计算工况

渗流计算选取2种工况。工况1：迎水侧设计水位36.66 m至背水侧相应的水位(背水侧平堤脚)；工况2：迎水侧水位由设计水位36.66 m骤降至常水位34.36 m。

2.6 临界渗透坡降

根据文献[1]中淹没出渗坡面的临界坡降计算。堤坝坡面的出渗示意图如图1所示。图1展示了堤坝淹没在水中的坡面BD附近的出渗流网，流线或渗透力的方向与坡面BD正交，所以，可以把土体浮容重分解为垂直坡面和沿坡面方向的分力γ'1sinβ和γ'1cosβ，以分析坡面各点的稳定性。

图1 堤坝坡面的出渗示意图

土料间的摩擦力和凝聚力沿渗流方向的分力分别为-γ'1sinβtgφ及-C。

由力的极限平衡式：

γJc-γ'1cosβ-γ'1sinβtgφ-C=0

(5)

可得临界渗透坡降：

(6)

式(6)中，土力学指标φ及C在所述渗流出口处的值一般小于试验方法所得到的值，tgφ约小1.5～2.0倍，C约小2～3倍。

由土体浮容重沿坡面的分力与阻滑力的极限平衡式：

γ'1sinβ=(γ'1cosβ-γJc)tgφ+C

(7)

可得临界坡降：

(8)

式(7)～(8)中，β为坡面与水平面的夹角；γ'1cosβ为土体浮容重垂直坡面方向的分力；γ'1sinβ为土体浮容重沿坡面方向的分力；γJc为渗透力；φ为土粒内摩擦角；tgφ为土的内摩擦系数；C为单位土体的粘聚力。

比较式(6)和式(8)可知，土料沿坡面下滑的临界出渗坡降远小于垂直坡面顶冲的临界出渗坡降，因而用式(8)核算堤坝坝坡的局部渗流稳定。结合地质勘察资料及土工试验数据[8]，式(8)中tgφ及C的折减系数取1/3，计算得到临界坡降[Jc]=0.33。

2.7 计算成果

不同工况下桩号82+000的渗流等势线如图2所示，其渗流计算结果见表3。从图2和表3可知，该计算断面的浸润线较低，堤坡出逸点处的出逸坡降均小于土的临界坡降，出逸点的高程较低，所以计算断面的渗流流态较安全，且符合规范要求[9-10]。堤防运行现状较好，没有发现堤防散浸，说明Autobank计算结果与堤防实际情况基本吻合，所以堤防计算断面处的渗流没有安全隐患。

(a) 工况1

(b) 工况2图2 不同工况下桩号82+000的渗流等势线

表3 桩号82+000的渗流计算结果

3 结论

基于AutoBank有限元软件，建立湖西大堤煤矿塌陷段堤防模型，根据地质勘测结果，综合现场实际调查情况，选取堤防的1个典型计算断面进行渗流分析计算。考虑堤防的不利条件，分别对2种不同工况进行渗流计算。根据Autobank渗流计算结果，2种不同工况下出逸点渗透坡降均小于临界值，渗流安全符合规范要求。