刘学智 张学林 朱少坤

（广州珠科院工程勘察设计有限公司，广东广州 510611）

1 概述

堤防在防洪体系中具有重要作用，堤防的安全是整个防洪工程体系的基础[1]。在堤防安全评价中，对堤防结构渗流的掌握是评价的前提。目前，堤防安全评价中常用传统的二维理正计算，该方法忽略了渗流场和应力场之间的相互作用[2]，以及非饱和土体与饱和土体之间的差异性[3]，计算结果难免具有误差。随着计算分析手段的不断进步，有限元数值模拟方法不仅可以进行渗流场和应力场耦合，并且考虑到饱和与非饱和堤防土体之间差异性等优点而受到广泛关注。

本文以某实际堤防安全评价工程为例，基于ABAQUS 有限元分析软件进行应力场与渗流场耦合下的渗流有限元计算分析，为有限元数值模拟在堤防安全评价中的应用提供参考。

2 模型原理

2.1 非饱和渗流的材料模型

对于非饱和渗流而言，其渗透系数的大小与材料的饱和度相关，而饱和度常常被表达成基质吸力的函数，材料渗透系数随基质吸力的函数[4]可以表达为下式（1）。

式中，kws为土体饱和时的渗透系数，ua、uw分别为土体中的气压和水压力。饱和度随基质吸力的关系为式（2）：

式中，Sr为饱和度，Si为剩余饱和度，Sn为最大饱和度，为as、bs、cs材料参数。

2.2 ABAQUS 流固耦合数学模型

堤防是由流体和固体组成的复杂多相系统[5]，ABAQUS 将堤防内部的流体相和固体相假定为相互叠加在一起的连续体，利用这种方法从而建立控制方程[6]。堤防中固相材料的应力平衡方程用虚功原理[7]可以表示为式（3）：