有限元法在围坝渗流计算中的应用
摘要：渗透破坏是堤防工程中普遍存在且较难处理的问题。在山东省济南市东湖水库围坝防渗设计中，我们根据当地土料、地质情况拟定了坝体截渗与坝基垂直截渗结合的防渗技术。两种防渗技术材料不同、结构不同，怎样计算才能反映工程实际情况，我们进行了调查分析，最后采用有限元法进行了土坝渗流计算，取得了较好的效果。关键词：有限元 围坝 渗流 应用
1.工程概况
东湖水库位于济南市章丘市高官寨镇和历城区遥墙镇，由围坝、入库泵站、出库泵站、泄水闸、截渗沟等组成，是济南市东湖供水工程的调蓄水库。水库总库容5800万ｍ3，占地6.7ｋｍ2，平均蓄水深6.6ｍ，围坝总长9.1ｋｍ，最大坝高9.2ｍ。东湖水库建成后可大大缓解济南市东部地区供水紧张状况，为经济社会发展提供可靠保障，并改善该地区生态环境状况。
2.坝体防渗设计
为了使水库工程经济合理，筑坝土料采用库区内取土，可取土面积4.67千米?主要为粉砂、壤土、砂壤土及少量裂隙黏土。为尽量利用料场砂壤土、粉砂土，并且保证大坝安全，拟在坝体浸润线以上2ｍ用粉砂及砂壤土筑坝。根据砂壤土、粉砂土黏性含量低，遇水液化、塌坡、失水松散、遇风易被扬起等特点，将砂壤土、粉砂土内包，四周用壤土保护。围坝上游护坡采用14ｃｍ厚混凝土预制板，下铺500ｇ,复合土工膜一层，再向下铺设10ｃｍ厚的中砂垫层。
3.坝基防渗设计
东湖水库坝基地层为第四系土，从上到下主要为粉砂、裂隙黏土、砂壤土、淤泥质黏土、粉砂、壤土夹礓石、黏土夹礓石、砂壤土、粉细砂和壤土夹礓石，共10层。第6层壤土夹礓石埋深为10～18ｍ，渗透系数为10－5ｃｍ／ｓ，分布连续，工程地质条件较好，可视为相对不透水层。根据东湖水库工程地质勘察报告，坝基年渗漏量1620万立方米，占设计库容的38.6％，渗漏严重，必须采取坝基截渗措施。
根据本工程地基土层分布特点，经方案比较，采用深层搅拌法（水泥土加固法）截渗技术。该方案不仅截渗效果好，而且易施工，不需开槽，直接搅拌成桩，施工速度快，工效高，耐久性好，强度高。加固深度嵌入第6层相对不透水层，且与坝脚处的复合土工膜密切结合，形成完整的防渗体系，达到防渗设计的目的。
4.围坝渗流计算
（1）有限元法的原理
有限元法是把连续体离散化为有限个单元的集合体来进行研究，引用变分原理对研究问题建立模型，推导出近似解的一组方程，最后归结为求解多阶系数矩阵的线性方程组，以计算机作为工具，并在矩阵分析和数值方法的基础上进行所需精度的计算。
（2）单元格剖分的方法
对无压渗流求解稳定渗流场时，一个麻烦的问题是决定自由面的位置。在实际计算中，一般是先假设一个自由表面的初始位置，然后再进行单元格的剖分。
（3）计算结果
计算水头取5.1ｍ，共分为5个区域，25个结点，29个单元格，根据软件要求的格式依次将结点数、单元数、区域数?每个区域代表一种土质?等总体信息和上、下游水位，结点坐标，区域渗透系数等具体数据写入数据文件，运行有限元程序后，即可得出浸润线、逸出点、等势线的位置和渗流量的大小。
山东省济南市水利建筑勘测设计研究院
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