河道洪水期数值模拟分析研究

李 伟

(国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100096)

河道在行洪期间水位不断变化，由于水位变动形成非稳定渗流场，在非稳定渗流作用下河道岸坡和地基极易发生渗透破坏[1- 3]，本文通过采用三维非稳定饱和-非饱和渗流有限元程序计算模拟，分析评价河道在分稳定渗流作用下的渗透特性[4- 7]，并提出相应的工程措施。

1 有限元模型

根据河道结构形式，建立河道三维有限元计算模型。河道长度为100m，宽度为20m，高度28m，沟底标高为2.80m，岸坡坡比为1∶1.5。模型截取范围和主要剖面位置示意图如图1所示。

图1 河道三维计算模型

2 河道参数

根据地勘报告，各地层的渗透系数及允许渗透坡降见表1。

表1 河道各地层渗透系数

3 非稳定渗流分析

在运行过程中，河道水位是不断变化的，河道及地基的渗流场是不稳定的，因此，本文深入分析河道及地基的非稳定渗流场特性，即模拟河道水位上涨和跌落的变化过程，分析和研究典型洪水过程中岸坡及地基非稳定渗流场的变化过程以及渗透坡降的变化情况。

3.1 边界条件和初始条件[5]

非稳定渗流分析已知水头边界是随水位变化的边界，即河道随着水位上升，岸坡部分出渗边界逐渐变为已知水头边界(入渗)，而当河道水位降落时，岸坡部分已知水头边界又变为出渗边界；河道两侧地下水位以上的岸坡为出渗边界；河道底面假定不透水。

非稳定渗流分析的初始条件为河道开始行洪时，河道内水位为5.30m，河道两侧地下水位为2.80m，并假定形成稳定渗流场。在行洪过程中，假定河道两侧地下水位保持不变，即地下水位始终为2.80m。

3.2 计算参数和时间步长的选取

土体的非稳定渗流计算系数根据经验确定。根据设计资料，河道的水位变化过程取5%山洪91年同期潮位计算典型断面水位过程，如图2所示。计算时，对河道水位变化过程进行简化，简化后的水位变化历时曲线如图3所示。根据非稳定渗流计算的要求，确定非稳定渗流计算的时段长为7、11、12、3、11、3、9、6、7、5h。

图2 5%山洪91年同期潮位计算典型断面水位过程

图3 计算简化的水位变化历时曲线

3.3 计算工况

根据图3，河道内水位上涨前，其水位为5.30m，3d内水位上涨至最高水位7.2m，然后不断下降至5.8m。为安全考虑，将河道最高洪水位7.20m的持续时间适当延长；同时，行洪期间，河道两侧地下水位取2.80m，保持不变。

3.4 计算成果分析

为分析河道行洪过程中，岸坡及地基非稳定渗流场的变化，分别取11个时刻，给出剖面的渗流出口排水沟处的渗透坡降，用以分析渗透坡降的变化。这11个时刻对应的河道水位，见表2。其中T0时刻，即t=0时，为稳定渗流情况，岸坡的渗透系数仍为1.47×10-5cm/s。

根据图2所示的5%山洪91年同期潮位，河道水位变化过程进行模拟计算、整理和分析，可得以下非稳定渗流场的主要结果。

表2 非稳定渗流分析河道水位与对应时刻

3.4.1 位势分布

从不同时刻的位势分布来看，随着河道水位不断上升，岸坡迎水侧逐渐饱和，但是由于土的渗透系数较小，饱和区扩大的速度很慢。当河道水位上升至最高水位7.20m时，岸坡迎水侧仅很小范围形成饱和区；此后，水位逐步下降，但饱和区仍有一定程度增大；当洪水过程结束时，岸坡内渗流饱和区变化较大的区域仅限于上游侧。在整个洪水过程中，岸坡中心线下游大部分区域的位势场变化不大，但迎水面附近的饱和区内等势线密集，渗透坡降很大。

3.4.2 渗透坡降

从表3看，最大渗透坡降出现在岸坡迎水面附近的饱和区内。但该区域为渗流进口，且岸坡土性质较好，不易发生危及岸坡安全的渗透变形，因而可不予考虑。对于渗流出口附近，行洪过程中，渗流场变化不大，其渗透坡降变化也很小，最大值出现在最高洪水位后15h，为0.629。

表3 各时刻最大渗透坡降

4 结论及建议

通过非稳定渗流场的计算成果可知，该设计洪水过程历时较短，岸坡土体及沟道底面附近土体的渗透系数较小，故河道洪水位对岸坡及地基渗流场的影响较小，且该影响仅限于河道渗流入口附近范围。洪水期间岸坡内不会形成稳定渗流场。

在非稳定渗流情况下，渗流出口堤后排水沟附近的最大渗透坡降为0.629，出现在最高洪水位后15h，渗流出口的最大渗透坡降可以满足要求。

虽然计算结果表明渗流出口的最大渗透坡降可以满足要求，但土层渗透系数的敏感性分析表明，该最大渗透坡降已接近允许渗透坡降。因此，综合考虑，建议在该区段采取防渗帷幕、排水反滤等减小渗透压力和渗透坡降的工程措施，以保证排水沟表面不发生渗透变形，使其满足要求。