李新國

（河南固始縣節(jié)能監(jiān)察中心 固始 465200）

1 ABAQUS有限元軟件簡介

ABAQUS是由美國HKS公司（Hibbitt,Karlsson&Sorensen,INC.）開發(fā)的一款功能非常強(qiáng)大的有限元分析軟件，可以分析各種固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠處理非常復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS有限元軟件主要包括ABAQUS/CAE前后處理模塊以及兩個(gè)分析模塊（ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit）。ABAQUS/CAE 是聯(lián)系其他模塊的紐帶，使用者能夠利用圖形交互界面便捷的完成幾何建模、賦予材料屬性、定義約束條件和載荷作用、劃分單元網(wǎng)格等操作，然后將模型提交給相應(yīng)的分析模塊進(jìn)行計(jì)算分析，最后在ABAQUS/Viewer中查看計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行相應(yīng)的后處理。ABAQUS完整的計(jì)算分析步驟為前處理、分析計(jì)算和后處理。

2 計(jì)算模型

2.1 孔壓邊界條件

考慮孔壓邊界條件時(shí)，將建筑物的臨空面設(shè)為不透水邊界，河道邊坡及建基面設(shè)為透水邊界，并根據(jù)上下游水位的不同，設(shè)定不同的初始孔隙水壓力及初始浸潤面。

在進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析時(shí)，通過設(shè)定不同的孔壓邊界條件來對不同運(yùn)行工況的水位差進(jìn)行模擬，同時(shí)根據(jù)ABAQUS軟件的滲流計(jì)算流程，根據(jù)不同工況設(shè)定初始浸潤面及下游臨空面初始滲流流速，在迭代計(jì)算過程中將根據(jù)不同的孔壓邊界條件及位移邊界條件做出相應(yīng)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)對閘址區(qū)三維滲流場的模擬。模擬計(jì)算工況見表1。

2.2 幾何模型

土體采用Mohr－Coulomb彈塑性模型。為了減小邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響，取節(jié)制閘底面為Z=0剖面，分別取Z=15.9m及Z=-18.56m為計(jì)算模型的上下邊界；取閘室上游起點(diǎn)處為X=0剖面，分別取X=130m及X=-304.5m為計(jì)算模型的前后邊界；取節(jié)制閘中心線為Y=0剖面，分別取Y=-165m及Y=483m為計(jì)算模型的左右邊界。對于位移邊界條件，計(jì)算模型內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)采用全約束；對于孔壓邊界條件，根據(jù)工況的不同，選取不同的孔壓邊界，同時(shí)根據(jù)上下游水位的不同，設(shè)定初始假定浸潤面。

表1 模擬計(jì)算工況表

2.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘探資料和室內(nèi)試驗(yàn)成果，選定了相關(guān)計(jì)算參數(shù)。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高有限元收斂速度，考慮不同土層的滲透特性，將土層分為三個(gè)大層，其中每一大層的滲透系數(shù)值均按每一小層滲透系數(shù)值和厚度采用加權(quán)平均的方法計(jì)算所得。擬選定計(jì)算參數(shù)如表2。

表2 各土層滲透系數(shù)（K）取值表

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 孔隙水壓力

工程運(yùn)行期間，上下游存在水位差，從而發(fā)生滲流作用，引起滲流場內(nèi)孔隙水壓力的變化。滲流場內(nèi)同一垂直面上，孔隙水壓力隨著深度的增大呈線性增大。由于上下游水位差，滲流場內(nèi)的同一水平面上，上游河水滲入附近區(qū)域的孔隙水壓力與下游逸出處的孔隙水壓力存在一定的差值。三種工況下該差值大小分別約為127kPa、88kPa及49kPa。

閘址區(qū)滲流場內(nèi)，對于同一高程上的上下游孔隙水壓力之差，工況一最大，為13.0～14.0m；工況二次之，工況三最小，為4.0～5.0m?？梢?，同一高程上的河流上下游水位差越大，滲流場內(nèi)上下游孔隙水壓力之差越大。

3.2 滲流流線

判定滲流場內(nèi)的滲透穩(wěn)定性，首先要確定土體的臨界水力梯度。根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊》結(jié)合該工程土層性質(zhì)，土體的臨界水力比降按照流土計(jì)算方法確定。經(jīng)計(jì)算，臨界水力梯度Jcr為0.578。當(dāng)逸出處的水力梯度Je＜Jcr，則土處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)Je=Jcr，則土處于臨界狀態(tài)；當(dāng)Je＞Jcr，則土處于流土狀態(tài)。

通過對比可知，同一高程上的上下游水位差越大，在滲透路徑長度相同的情況下，滲流逸出處的水力梯度越大。

此次分別計(jì)算了三種工況下節(jié)制閘附近X=165m、X=-15m、X=115m剖面?？傮w上看，從上游河水滲入滲流場內(nèi)土體開始，浸潤面坡度逐漸變緩，上游的水力梯度比下游的水力梯度要大，滲流逸出處水力梯度略小于整個(gè)剖面上的平均水力梯度。計(jì)算中，由于滲流逸出處的水力梯度較難界定，從工程安全角度考慮，取水流在整個(gè)剖面上的滲流平均水力梯度作為滲流逸出處水力梯度。綜上分析，整個(gè)樞紐不存在滲透穩(wěn)定問題。

3.3 滲流流速

土體內(nèi)發(fā)生滲流時(shí)，水力梯度越大，滲流流速越大，流線越密集。由于建筑物兩側(cè)土體滲透性大于閘址區(qū)底部的土體滲透性，閘底滲流量占總滲流量的比例較小，三種工況下大致相同，僅為7%左右，滲流形式主要為繞閘滲流。在船閘與節(jié)制閘之間的分流島附近，滲流流速較大，流線較為密集。工況一滲流流速最大，流線最密集，工況二次之，工況三最小。工況一分流島靠近河流上游附近滲流流速最大，為0.523m/d，工況三船閘靠近河流下游附近滲流流速最小，為3.083×10-10m/d。

3.4 滲流流量及滲透壓力

為了更直觀地反映滲流場內(nèi)關(guān)鍵區(qū)域的滲流穩(wěn)定性，對關(guān)鍵剖面的滲流流量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，某剖面的滲流流量，即為該剖面的平均滲流流速與剖面面積的乘積。

通過計(jì)算結(jié)果可見，三種工況下的滲流流速、滲流流量及滲透壓力在滲流場內(nèi)的分布規(guī)律是大體一致的。工況一滲流場內(nèi)的滲流流速、滲流流量及滲透壓力最大，工況二滲流場內(nèi)的滲流流速約為工況一的68.7%，工況三的滲流場內(nèi)滲流流速及滲流流量最小，為工況一的37.4%，為工況二的54.4%。滲透壓力與水力梯度成正比，水力梯度越大，滲流流速越大，滲流流量越大，滲透壓力也就越大。

4 結(jié)論

依據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，通過對該工程滲流穩(wěn)定性的分析與評價(jià)，結(jié)論如下：

（1）計(jì)算結(jié)果符合達(dá)西定律的基本規(guī)律，水力梯度越大，滲流流速越大，滲流流量也就越大，滲透壓力越大。滲流流速在第一種工況下最大，第二種工況下次之，第三種工況下最小。各工況下閘址區(qū)滲流場內(nèi)土體是穩(wěn)定的，能夠滿足建筑物結(jié)構(gòu)安全方面的要求。

（2）上下游河水位差越小，下游逸出處的水力梯度越小，土體滲流穩(wěn)定性就越好；反之亦然。因此，工況三閘址區(qū)內(nèi)滲流穩(wěn)定性最好，工況二次之，工況一最差。閘址區(qū)內(nèi)的滲流場中，船閘與節(jié)制閘間的護(hù)堤附近安全系數(shù)工況一為3.928，工況二為5.728，工況三為10.509；三個(gè)工況下均滲透穩(wěn)定。

（3）三種工況下船閘和節(jié)制閘附近滲流逸出處的水力梯度均小于水力梯度容許值；盡管船閘與節(jié)制閘之間的分流島附近區(qū)域及節(jié)制閘左右兩岸土體附近區(qū)域安全系數(shù)相對較小，但是仍然滿足規(guī)范安全系數(shù)要求。

（4）該工程滲流方式主要為繞閘滲流，三種工況下繞滲流量所占總滲流量的比例大致相同，約為93%