有限元渗流分析的关键步骤 (洞庭湖堤坝模型)

原创 GeotechWu 计算岩土力学 2024年07月07日 11:28 内蒙古

1. 引言

        有限元渗流分析可以分为两类：一类是稳态流分析【渗流分析的输入参数(Seepage Analysis)】，另一类是瞬态流分析【瞬态地下水分析回顾 (Transient Groundwater Analysis)】，计算出的孔隙压力会自动用于边坡稳定性计算。本文讨论了有限元渗流稳态分析的关键步骤。

2024年7月5日，华容县洞庭湖堤坝决堤

2. 几何模型

        几何模型一方面反映了坝体真实的几何形状，另一方面反映了坝体的构筑材料，材料性质不仅决定着坝体的渗透性，也决定着坝体的稳定性。大多数重要的坝体其核心都选择渗透性相对较小的粘土材料，以阻挡水向坝体外侧的渗流。一些早期的尾矿库建设借用了水坝的概念，也使用了“核”，但现在已经很少见到采用"核"来建造尾矿坝啦。2024年7月5日华容县洞庭湖的堤坝，从大量图片和视频可以观察到，它的建设并不是这种标准的坝体设计，仅用一种材料筑坝，目前不清楚这个坝体建于何时，这可能是历史留下的原因。

3. 有限元网格

        无论是固体力学分析还是渗流分析，有限元网格的尺寸极大地影响着计算精度。总的来说，在受影响区域，划分较小的网格尺寸能够提高计算精度。

4. 静水力学属性

        渗流分析需要输入的基本静水力参数是渗流系数Ks，渗流系数理论上必须通过试验获得【关于渗透系数 (permeability coefficient)】，而确定合适的土-水特征曲线SWCC也是一件非常困难的事情【FLAC 改进的流体流动和热分析 (V9.10.5)】。

5. 边界条件

        渗流分析的另一个关键步骤是设置边界条件。对于水坝或尾矿坝，可以使用水位(水头)定义上游边界，但下游边界在大部分真实的场景中很难准确确定，例如是否有排水设施，排水设施是否起作用，如果起作用，流量是多少。

6. 结果解释

(1) 总头 (Total Head)

        下图所示的是渗流分析后的总头。可以看出，由于坝体中间核的低渗透性材料的阻挡，水很难渗入到坝体右侧，这显示了筑坝方式和筑坝材料的重要性。

(2) 水平流量速度

        不管坝体建造得如何坚固，渗流总是存在的，如果坝体本身抵抗渗流的能力较弱，则会沿着最大的渗流面形成所谓的管涌。此外，坝体下方的渗流也不容忽视，如下图所示的水平流速(Horizontal Discharge Velocity)，尽管坝体上部阻挡了渗流，但在坝体底部仍然有流体穿过，这就是为什么坝体的地基必须非常坚固。小型的水坝尚且如此，大型的水坝更不用说，即使象三峡大坝这样的巨型坝体，尽管建造在坚硬的花岗岩基岩上，也需要时刻关注坝体底部的渗流问题。

2020年汛期，三峡大坝曾遭受了严峻的考验，当时最担心的是如果水位继续上涨，有可能会发生溢流，溃坝倒不可能发生。值得一提的是有一件趣事，清楚地记得一位中国工程院院士在一次座谈会上表示，水越大对混凝土坝体越好，大坝越稳固，他的爱国之心虽然令人敬佩，但显然他并不明白当时的情形或者说他根本不懂水对坝体的危害，凭着一张院士头衔，到处招摇撞骗。

7. 洞庭湖堤坝模型

         本次发生事故的洞庭湖堤坝如下图所示，从卫星照片来看，决堤地段并未出现在水域面积最大的西侧，而是发生在中部靠东侧的某个位置。

在堤坝中部作了一个剖面，如下图所示。路的标高大约为35.3m，根据网络上流传的视频推测，当决堤时，水位标高已经上升至标高33m以上。在后续的文章中，我们将依据这个模型进行渗流分析和边坡稳定性分析。