基于ANSYS 模型的堤防滲流穩定研究

張 倩

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

1 工程概況

天津市延吉道220kV變電站全站改造工程電力隧洞位于天津市北辰區，電力隧洞采用DN3000混凝土管頂管工藝，穿越永定新河。永定新河為天津市一級重要行洪河道，位于天津市北側，西起北辰區屈家店，東至塘沽區北塘入渤海，其右堤是天津市城區北部的防洪屏障。 河道全長66km， 沿途納入機場排水河、北京排污河、潮白新河和薊運河等。 永定新河河道開挖于1971年，是以深槽行洪為主的復式河道，管道穿越位置為三堤兩河，北河寬300m，南河寬200m，設計深槽底寬北河為130m，南河為30m，河底比降為1/13000。

2 ANSYS模型計算

頂管穿越工程施工中難免會對堤防工程基礎土層產生擾動，影響原土體的密實度，甚至可能會沿隧洞周邊形成一條滲流通道，影響堤防的結構穩定。因此， 分析頂管工程對堤防滲透穩定的影響是頂管穿越工程防洪評價的要點之一。

為此采用ANSYS軟件中的滲流場分析功能對堤防土層進行滲流的分析計算。

ANSYS滲流分析基于能量守恒原理和質量守恒原理的滲流運動平衡方程和連續性方程， 用有限元計算各節點的水頭，滲流分析符合拉普拉斯方程，在ANSYS的理論手冊給出了滲流分析的控制方程可寫成：

式中 Kx，Ky，Kz分別為三向滲流系數；h為滲流水頭。

由上述分析可見， 地基土滲流問題是土體問題的一種形式， 只需將邊界條件相應變為已知水頭分布及滲流速度， 就可采取ANSYS軟件中的滲流場分析功能對堤防土層進行滲流的分析計算。

2.1 模型建立

根據頂管隧洞穿越河流縱剖面結構圖， 按照實際結構的尺寸構建計算模型。 模型橫向延伸30m，豎向延伸30m，相當于3倍隧洞埋深，計算范圍滿足計算要求。 分別對永定新河左堤和右堤建模計算。

圖1 左堤滲流分析計算模型

圖2 右堤滲流分析計算模型

2.2 材料屬性

本模型構建主要由堤身和隧洞組成。 堤身屬性設為各向同性，主要參數為滲透系數。堤身地質根據地質報告確定，隧洞為混凝土管。永定新河左堤堤基高程-0.5m至堤身高程3.0m部位分布有一層粉土，滲透系數為3×10-4cm/s；-0.5～-2.0m為黏土，滲透系數為1.25×10-5cm/s；-2.0～-9.0m為粉質黏土， 滲透系數為1.35×10-5cm/s。 永定新河右堤-2.0m以上為粉土層，滲透系數為4×10-3cm/s；-2.0m以下為粉質黏土，滲透系數為5×10-5cm/s。 隧洞滲透系數很小，取值為K=1×10-8cm/s，工況三出現集中滲漏的情況下， 隧洞滲透系數取值為K=1×10-3cm/s。 允許比降取0.4。

2.3 邊界條件

左右堤防洪水位按100年一遇設計為5.14m，在河床范圍內施加最大洪水水頭，在堤防外側無水，滲流出口處水頭為零。

2.4 作用工況

工況一（現狀，無隧洞條件）：原河床抵御最高洪水時堤防的滲流狀況，土體處于長期穩定滲流狀態。

工況二（隧洞建成后正常運行）：本工況考慮在隧洞施工建成后， 河床再抵御最高洪水時堤防的滲流狀況，土體處于穩定滲流狀態。

3 結果與分析

本次主要從滲流水頭、滲透坡降、滲透流速三個方面分析計算， 得出三種不同工況下滲流場的分布情況和變化情況。

3.1 工況一（現狀，無隧洞條件）

圖3、4為原河床抵御最高洪水時的水頭等值線圖。 計算結果表明，原河床抵御最高洪水水頭時，形成穩定滲流場。 河床內水頭相同，為最大洪水水頭，在堤防內形成的滲流場分布均勻，沒有明顯突變。

圖3 左堤初始狀態滲流水頭等值線

圖4 右堤初始狀態滲流水頭等值線

圖5、6為原河床抵御最高洪水時的滲透坡降分布圖。 計算結果表明，原河床抵御最高洪水水頭時，形成穩定滲流場。河床內滲透坡降分布均勻，數值較小，在兩岸堤防內形成梯度增加的滲透坡降分布，較大值出現在堤防粉土層區域， 左堤最大值為0.288，右堤最大值為0.254，均小于允許滲透坡降0.4，不構成滲透破壞。

圖5 左堤初始狀態滲流坡降分布

圖6 右堤初始狀態滲流坡降分布

圖7、8為原河床抵御最高洪水時的滲透流速矢量分布圖，由圖可看出，由于右堤防滲墻的存在，一定程度上改變了滲流路徑，起到了一定的阻滲作用。

圖7 左堤初始狀態滲流流速矢量分布

圖8 右堤初始狀態滲流流速矢量分布

3.2 工況二（隧洞建成后正常運行）

圖9、10為隧洞建成后正常運行一段時間， 河床再次抵御最高洪水時的滲流水頭等值圖。計算結果表明，隧洞施工完成后河床抵御最高洪水水頭時， 隧洞施工對原滲流場有一定的擾動作用，滲流場重新分布。河床內水頭相同，為最大洪水水頭，在堤防內形成梯度下降的滲流水頭分布，分布均勻，沒有明顯的突變。 工況二與工況一相比，滲流水頭分布并沒有明顯變化。

圖9 左堤施工后滲流水頭等值線

圖10 右堤施工后滲流水頭等值線

圖11、12為在隧洞建成后正常運行一段時間后，河床再次抵御最高洪水時的滲透坡降分布圖。 計算結果表明：隧洞施工后河床抵御最高洪水水頭時，隧洞對原滲流場有一定的擾動作用，滲流場重新分布。河床內滲透坡降分布均勻，數值較小。在兩岸提防內形成梯度增加的滲透坡降分布，較大值出現在堤防粉土層區域，左堤最大值為0.306，右堤最大值為0.289，均小于允許滲透坡降0.34，不構成滲透破壞。與工況一相比，隧洞施工后的滲透坡降分布和最大值并沒有較大變化。

圖11 左堤施工后滲流坡降分布

圖12 右堤施工后滲流坡降分布

圖13、14為隧洞建成后正常運行一段時間后，河床再次抵御最高洪水時的滲透流速矢量分布圖，由圖可看出，右堤由于防滲墻的存在，一定程度上改變了滲流路徑，起到了一定阻滲作用。

圖13 左堤施工后滲流流速矢量分布

圖14 右堤施工后滲流流速矢量分布

4 結語

（1）管道穿越堤防，施工過程中會對堤防穩定產生影響，定量的評價管道對堤防產生的影響是必要的。

（2）采用ANSYS軟件中的滲流場分析對管道穿越堤防工程進行建模，分析計算不同工況下，管道施工及工程建成后對河道堤防產生的影響，結果可靠，分析方法合理， 為建設項目對堤防的影響提供了可靠數據，保障了河道的行洪安全。