Optum G2 土石坝排水棱体模拟
一、概述
排水棱体是在土石坝坝趾处用沙、碎石和块石堆砌成棱形体的排水设施，又称堆石排水、滤水锥形体、排水坝址。排水棱体在很多水利水电设计的土石坝中得到广泛的应用，主要作用包括：①有效降低坝体浸润线；②防治坝坡土料渗透变形；③支撑下游坝坡，提高坝体稳定性；④防护下游坝坡坡脚不受尾水冲刷。
图1：排水棱体构造示意图
此处我们使用Optum G2 软件建模模拟当有无排水棱体时，土石坝中的浸润线有何不同。
二、建模
基本模型如下，区域1渗透系数为1m/天，区域2渗透系数为0.3m/天，坡脚排水棱体渗透系数100m/天。上游水位齐坝顶，下游不设置水力边界条件，既下游边界可以自由渗流。
图2：无排水棱体模型
图3：有排水棱体模型
三、分析结果
当土石坝不设置排水棱体时，坝体内浸润线如图4所示，当设置排水棱体时，坝体浸润线如图5所示，由此可见，当坝后坡脚采用排水棱体设置时，可以有效降低坡内浸润线的高度。
图4：无排水棱体浸润线位置
图5：有排水棱体浸润线位置
在G2中，除了通过改变排水棱体区域材料的渗透系数来模拟棱体作用之外，还可以不改变材料参数，直接通过设置水力边界条件实现相同的效果，在棱体两边设置固定水压力Ps=0，如下图所示：
图6：给排水棱体设置水力边界条件
得到结果如下:
图7：设置水力边界条件后渗流分析结果
图7结果跟图5比较，除了排水棱体区域外，坝体内的浸润线形状和位置基本一致。
如果对土石坝自由面渗流模拟感兴趣，还可以查看库仑问答官网G2案例37，该案例讨论了材料在不同渗透性，及各向异性情况下的流量和浸润线分布。
