摘 要

堤防工程在国计民生中扮演重要的角色，因此研究堤防安全风险有着重大的意义。本文以武汉市岱家山至黄陂高速公路改扩建工程中的府河大桥为研究对象，考虑府河大桥地区复杂的水文地质条件，使用ANSYS软件对府河大桥周边渗流场建立模型，以最高水位条件下的府河大桥渗流场进行数值模拟，并同时考虑桥墩对渗流场带来的影响，综合来进行数值模拟计算，对计算得到的结果进行分析和讨论，可以得出大桥渗流场中的各项指标如水头、水力梯度、渗流量等基本在正常范围内，不会对府河大桥的渗流安全造成较大威胁。

关键词：府河大桥；堤防；渗流；接触冲刷；数值模拟

Abstract

The levee engineering plays an important role in the national economy and people's livelihood.Therefore,it is of great significance to study the risk of embankment safety.Based on the complex hydrogeological conditions of the Fuhe Bridge area,the model of the seepage field around the Fuhe Bridge is established by ANSYS software.The model is established with the highest water level condition.And the influence of the pier on the seepage field is considered.From the final analysis results, the pier has little effect on the seepage field:the indexes of the seepage field in the Fuhe Bridge are basically in the normal range, such as head,hydraulic gradient and seepage flow,and will not be safe Causing a greater threat.

Key Words:Fuhe Bridge;Embankment;Seepage;Contact scouring;Numerical Simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1渗流研究现状 1

1.2.2接触冲刷研究现状 2

1.3本文研究的主要内容 3

1.4技术路线 3

第二章 基本理论 4

2.1渗流基本理论 4

2.2渗流基本方程 4

2.2.1达西定律 4

2.2.2渗流连续性方程 6

2.2.3稳定渗流微分方程 6

2.3ANSYS计算渗流理论与方法 7

2.3.1ANSYS简介 7

2.3.2ANSYS软件热模块介绍 8

2.3.3渗流与热传递的相似性 8

2.4渗流分析基本方法 9

第三章 工程地质 10

3.1工程概述 10

3.2地形地貌 10

3.3气象水文 10

3.4地质构造 12

3.4主要物理力学性质 13

第四章 利用ANSYS进行堤坝渗流分析 14

4.1模型的建立 14

4.2网格的划分 15

4.3加载 16

第五章 结论 18

参考文献 19

致谢 20

第一章 绪论

1.1研究目的及意义

江河湖泊在我国广泛分布。根据我国在2010-1012年期间进行的第一次全国水利普查数据，河流流域面积在50平方公里和以上的总共有45203条，其总长度为150.85万公里。湖泊中常年水域面积超过1平方公里的有水面总面积7.8万平方公里。水库是调整水资源时空分布的有效举措，我国已经建立水库97246座，在建水库756座。人类对于水资源的利用也逐渐高效环保，我国发电站20866座，装机容量2.17亿千瓦。大坝是保证安全使用水资源的的重要工程措施，已建5级以上堤防的总长度达到267532公里^[1]。不管从自然角度还是社会经济角度看，江河湖泊都扮演着重要的角色。

自古以来人民对于水资源和水资源利用的安全问题就格外关注，大禹时期有大禹治水，战国时期李冰设计建造都江堰等。但大坝的安全事故也一直频发不止，给世人带来了大量的人身财产损失。美国加利福利亚州的拱形重力坝圣弗兰西斯（St Francis）大坝，在选址上存缺陷，由渗流导致大坝直接溃塌，造成400多人死亡。1959年法国当时世界最薄双曲拱坝马尔帕塞特（Malpasset）由于大坝左坎肩发生位移，最终发生溃坝，直接造成421死亡和大量财产损失。1963年意大利位于意大利北部阿尔卑斯山区附近的瓦伊昂（Vajont）大坝由于库内特大滑坡导致溃坝，坝内产生200多米巨浪冲向上下游，导致2000多人死亡和村庄土体的破坏。1975年河南板桥水库由于特大降雨导致水位线超过防浪墙，溃坝之后下游平原地带被洪水冲刷，导致受灾人口1190万，直接死亡人数达2.6万，震惊世界^[2]。累累案例给世人敲响警钟，岸坡的安全必须被世人所重视。岸坡的破坏都离不开渗流的影子，渗透破坏是指渗透水流对堤基（身）作用，导致堤基(身)土体发生变形，发展之后则可能产生渗流破坏。最终导致恶劣事件的发生，因此岸坡的安全必须得到人民的重视。

1.2国内外研究现状

1.2.1渗流研究现状

渗流的定义是水等流体在含有孔隙或者裂隙的介质中的进行运动，其中流体本身的特性与含孔介质的性质决定了渗流的运动性质。渗流主要的研究内容有地下渗流、生物渗流以及工程渗流^[3]。本文主要研究的是与地下渗流相关的内容，地下渗流是指水等流体在地表上的堆积物中、土体以及岩石等介质中进行渗流运动。渗透变化的主要形式及其主要发展过程与所处地区的地质条件、介质的土粒级配、流体的水力条件、岸坡的防排水措施等因素有关，基本上可分为4种类型，管涌、流土、接触冲刷以及接触流土^[4]。

渗流力学最初是由法国工程师达西于1856年提出的，他主要是根据自己做的渗流试验，对结果进行分析总结，最终提出了均质介质中渗流的线性定律，奠定了渗流的基础，随后渗流理论和应用得到了飞速的发展。在1863年，杜布依在大西定律的基础上对水流在单向和平面径向下的运动。在1889年，茹可夫斯基推导了一种基本上仅适用于简单边界条件下在均质介质中的渗流微分方程，在实际应用中限制比较多。之后拉普拉斯又提出了拉普拉斯方程对渗流的理论做出巨大的贡献。在渗流研究的早期，研究方法和手段比较单一，主要有简单试验模拟和简单的物理数学方法。对于试验主要是对实际渗流进行模拟，在试验中观察总结实验现象，最后提出自己的看法观点。数学方法主要依靠拉普拉斯方程式和傅里叶提出的热传导方程。近代以来，由于在研究的内容和考虑的因素方面快速的发展，研究手段和配套设备的不断的提升，渗流理论不断的深化和完善，使得渗流分析计算也更贴于实际。现在渗流的研究考虑的因素较为全面，流体的性质、多重介质、稳定-非稳定渗流、温度带来的影响以及流场与应力场的多重作用等^[5]。

渗流计算方面的方法也越来越多，大致可以分成以下三大类：理论计算法、试验分析法和图解法。其中理论计算法可以分成大致分成数值解法和解析法。试验分析法是指按照一定的比例去制作实体模型去模拟自然条件下的渗流场去解决渗流相关的问题。图解法又称为流网法，主要利用流函数和流速势的正交性做出流网去研究渗流相关问题。近年来渗流分析理论与计算机技术相结合，计算机推动了渗流计算的发展，现在计算方法有有限元法、无限元法、有限差分法以及边界元法等，这些方法的简便且计算精度也较高，逐渐得到广泛应用于渗流计算分析中^[6]。

1.2.2接触冲刷研究现状

接触冲刷的定义是水等流体沿着两种不同性质介质的接触面发生流动时，把其中颗粒层的细颗带走的现象。不同土体之间的接触面一般是防护较薄弱的位置，同时也是渗透破坏最容易发生的地方。国内对于接触冲刷的研究主要集中在不同土体之间，刘杰对接触冲刷的激励在2011年作出了较为详细的分析，在两个水平土层之间，从组成颗粒的不同粒径方面提出接了接触冲刷临界水利坡降的计算公式。陈建生等人分析探讨了关于在发生接触冲时，细沙从不同土体之间的接触面发生流失的发展变化过程，主要是针对于黏土与砂砾石层，并将井流理论应用于接触冲刷，通过计算模拟分析讨论了稳定渗流的的接触冲刷全部过程。邓伟杰在2008年通过使用自己研制了关于砂砾层与黏土层的接触从刷仪，并开展了试验研究。王保田等人在渗流槽中做了在关于渗流的试验研究，主要是对含有悬挂式防渗墙的堤基。依斯托美娜做了关于不同粒径的渗流试验，并根据自己的试验结果提出一种临界水力坡降的计算公式，他认为临界水力坡降与不同土体之间的的粒径以及土层的摩擦系数有关。而范德吞则认为接触冲刷的临界水力坡降只与不同土体之间的颗粒平均值之比有关，并通过试验研究指出两者之间接近线性关系^[7]。

总结分析国内外目前关于接触冲刷的研究进展，大部分是通过试验研究，由试验结果总结分析得到结论，而且限制较多，主要是单向渗流带来的接触冲刷，对于接触冲刷仍有许多问题没有解决，需要广大学者继续进行研究分析。

1.3本文研究的主要内容

本文选取的是武汉市岱家山至黄陂高速公路改扩建工程中的府河大桥作为工程背景。岱黄高速公路，其线路的全部长度24.6km，起点是位于汉口岱家山三金潭，终点是在黄陂城关。其北端紧挨临河机场附近、南端可以到武汉港，西端连接了107国道和京珠高速，武汉外环高速公路也与之相连。近年来武汉市政府逐渐增大对黄陂区的投资，岱黄高速公路逐渐发展成为了一条重要的经济之路。武汉市岱家山至黄陂高速公路改扩建工程起点位于府河大桥靠西湖提桥头,终点位于黄陂城关，起点至汉孝高速公路桃园集互通段为扩建工程，扩建段全长8.775Km。本文采取建立府河大桥渗流场三维模型并进行数值模拟，对桥梁堤坝的稳定性问题进行讨论分析，得出府河大桥附近渗流场的水头、水力坡度、渗流量等指标基本在安全范围内，不会因渗流对桥梁和大坝造成较大的危害。

1.4技术路线

本文技术路线如图所示