有限元分析软件在古墓葬防渗工程中的应用
2018年12月17日 信息来源:陈磊 目前浏览:444次

——以安乡刘弘墓为例


有限元分析是指利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟,其目的是利用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析软件则是依据相关理论开发的软件,经过了几十年的不断发展,有限元分析软件在水工、土建、桥梁、机械、电机、冶金、造船、核能、地震、物探、气象、渗流等方面得到了广泛运用。本文结合刘弘墓防渗治理设计方案的实例,就有限元分析软件在古墓葬防渗治理方面的应用做一个简单介绍。


1、建立模型

准确获取相关参数对模型的建立至关重要。有限元模型的建立主要需要两方面的参数,一方面是依托传统测绘的方法获取的地形地貌及结构尺寸等“形”的参数,另一方面则是依靠土工试验的方法获取的土层或结构材料的物理力学性能等“质”的参数。

刘弘墓墓室渗水来源于地表降雨,长时间降雨条件下,部分降雨沿土层入渗,部分降雨形成地表径流,墓室的渗水速度能维持在一个较为稳定的区间,因此可按稳态渗流场建立模型。素填土顶面至墓室地面高差为9米,墓室墙背填土及粘结材料均按粉质粘土简化处理。各土层的物理力学性能见表1:


表1 各土层的物理力学性能

名称

含水率

孔隙比

饱和度

压缩模量

凝聚力

内摩擦角

厚度

渗透系数

素填土

23.7%

0.735

87.3

7.58Mpa

38.2Kpa

12.0°

1.6m

2*10-3cm/s

粉质粘土

26.3%

0.752

95.5

9.88Mpa

64.8Kpa

15.6°

/

7*10-5cm/s


本次使用Midas-NX专业岩土工程有限元软件,在填土顶面与墓室地面水头高差一定的情况下,对地表降雨入渗进行分析。考虑到渗流场被简化成了规则的图形,渗流网格单元均按照0.1m划分,共计划分15624个单元,网格划分结果见图一。


图一  网格单元模型图(单位:m)


2、水力梯度分析

水力梯度是指沿水流方向上单位渗透路径上的水头损失,也称水力比降。水力梯度值的大小直接关系到土体中固体颗粒是否能维持稳定,当水力梯度大于土体自身的允许水力比降时,土体将发生流土或管涌破坏。


图二  渗流场水力梯度分布图


由上图可见,水力梯度较大值主要分布在墓壁根部及紧靠墓壁的墓室地面上,该区域的水力梯度值普遍在1.0以上,已经远大于《工程地质手册》中粉质粘土的允许比降经验值0.3,因此墙后填土及地基土都将出现流土破坏。


3、渗流速度分析

渗流速度即水流通过过水断面上空隙的平均速度,渗流速度的大小与水力梯度及渗透系数密切相关。渗透速度越大,单位时间内墓室内部渗入的水也就越多。


图三  渗流场渗流速度分布图


由上图可见,墓室渗水主要经由墓室地面的渗水孔进入墓室,随着长期渗水的持续,该部分土体空隙越来越大,渗透系数也随之增大,由此造成该区域的渗流量不断增加,这将进一步加剧土体发生流土破坏,形成一个渗透破坏的恶性循环。


4、总结

本文通过列举实例简要介绍了有限元软件在古墓葬防渗工程中的应用,并对渗流场中的水力梯度与渗流速度两项指标进行评估,为后续防渗方案设计提供数据支撑。但以上仅是有限元软件的简单运用,想要深入的理解有限元方法的本质,并能够熟练自如的解决各种复杂的实际问题,必须从根本上掌握有限元分析的普遍方法,并了解物理现象产生的本质因果关系。相信随着文化遗产保护事业的蓬勃发展,保护技术水平的不断提高,有限元分析技术也将会更多地运用到文化遗产保护事业中去。

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