1 工程概况
该贮灰场位于某石油厂热电厂原有灰场内。初期坝坐落于三面环山的U字型沟谷内，左右山体宽厚。从地貌上看该场地贮灰前为山前沉积坡地，属残坡积地貌，地形起伏较大，灰场贮灰坝后属冲积平原地貌，地形较为平坦，地表高程介于173.97~160.04米。初期坝及一、二级子坝为碎石土坝体，碎石成分为中风化及强风化的油页岩，坝体密实。初期坝及一、二级子坝坝高均为5.0米，初期坝全长373.0米，高5.0米，坝顶宽4.0米，坝基宽约为29.0米，初期坝坝基座落于强夯处理后的油母页岩残渣（人工素填土）上，筑坝材料为油母页岩残渣。随着单机容量的增加，贮灰场的规模也同步扩大，拟在二级子坝前灰渣上修筑三级子坝，坝高5.0米，轴线与二级子坝平行，坝轴线间距离约为20.5米。
初期坝上、下游设计边坡均为1：2.5，子坝上游设计边坡为1：2.0，下游设计边坡为1：2.5，二级子坝上、下游设计边坡均为1：2.5。勘察资料表明，初期坝及一、二级子坝坝体整体性好，未见断裂及节理裂隙，亦无滑动痕迹。从浸润线位置看，一级子坝、二级子坝坝体内未见浸润线，坝体无渗漏现象，说明坝体施工质量较好，坝体排水性能好。从运行上看，初期坝及一、二级子坝已安全运行十年，因此可以认为坝体稳定，无不良地址现象，可以进行加高。[1]
2 渗流的数值模拟原理
渗流场和温度场比拟方法是以温度场中热流的流动与地下水在多孔介质中的运动在数学描述上的相似性为基础而设计的。借助于这种相似性才得以用热流来模拟渗流以解决渗流的某些实际问题。温度模拟方法的核心问题就是以温度场模型代替渗流区域，根据温度场数学模型中测得的各点温度值绘制等温线，以模拟渗流场相应点的水头值及等水头线，利用这种相似可以计算出渗流场中各渗流要素。
用温度场中的温度T来比拟渗流场中的水头H，用热传导率来比拟渗透系数，热流速度来比拟渗流速度。这样，热流定律中的各物理量与达西定律中的各物理量一一对应。因此，以热流定律为基础的温度场的控制方程与以达西定律为基础的渗流场的控制方程在数学上均以拉普拉斯方程的形式表示出来。
温度场模型和渗流场模型相比拟，还要满足以下条件:(1)几何相似。温度场模型的外部边界应和所研究渗流区域的外部边界在几何上相似。当渗流区域为均质土层时，则模型也应是均质的；当渗流区域是非均质岩层时，则要求模型中不同导热介质的分界线应与非均质土层的分界线亦保持相似。(2)边界条件一致。即温度模拟模型的绝热边界与渗流区域的隔水边界相对应。导热边界和透水边界相对应，导热边界上的温度则和透水边界上的水头相对应。
3 贮灰坝渗流场有限元分析
坝身浸润线位置是校核坝体稳定必须的资料。如果坝身浸润线过高，以及在下游坝坡渗出或与坝坡间的距离小于冰冻层厚度，都会危害坝体的稳定安全。有效覆盖层的厚度可分析坝下游浸没破坏的程度及对工农业生产可能带来的影响。对正在运行的坝，浸润线的计算值常常可以用来与观测数据比较，分析渗流条件的变化和防渗体的运用情况。灰坝渗流计算分析的主要目的是确定各工况下灰坝的浸润线的位置，为坝体的稳定分析提供依据。同时通过渗流分析，研究渗流破坏和渗透变形，从而为坝体防渗和排渗设计提供依据[2]。
3.1 贮灰坝有限元模型的建立
应用ANSYS软件的多物理场的温度模块建立模型，该坝体模型可以按照平面应变问题来考虑，在实际计算中，单元采用PLANE55，该单元可以用来进行稳态或瞬态热分析[3]，根据渗流场与温度场数学描述上的相似性，可以应用此单元进行渗流场分析。选取贮灰坝典型断面7-7剖面，建立有限元模型，该模型共有4种材料，其材料常数如表3.1所示，有限元模型如图3.1所示。
| 指标 类别 | 渗透系数 cm/s | 天然容重 kN/m3 | 饱和容重 kN/m3 |
| 1-煤矸石 | 6.7×10-5 | 19.5 | 20.0 |
| 2-排渗体 | 1.0×10-2 | 21.0 | 24.3 |
| 3-亚粘土 | 6.9×10-5 | 19.0 | 19.0 |
| 4-粉煤灰 | 5.0×10-4 | 12.4 | 15.4 |
表3.1 渗流计算中用到的材料参数
图3.1 7-7剖面有限元网格图
3.2 贮灰坝不同工况的渗流分析
根据贮灰场目前的运营状况，并考虑贮灰场在未来的一段时间内可能会继续加高子坝，结合现有排渗设备的工作状况，以及干滩长度的影响，对贮灰坝进行渗流分析。分别选取干滩长度为0m，80m，100m，200m；在相应得干滩长度上，分别考虑排渗管有效，以及排渗管失效两种情况，共计8种工况。其中，初期坝以及各级子坝的土工膜保持完好，作为不透水边界条件。图3.2～图3.3给出了7-7剖面当干滩长度为0m，排渗管正常工作以及排渗失效时该贮灰坝的压力水头分布情况。
图3.2 干滩0m排渗失效时压力水头分布
图3.3 干滩0m排渗正常时压力水头分布
从图3.3可以看出排渗管作用明显，浸润线通过三级、二级、一级子坝的排渗管，土工膜不起作用，浸润线遇到初期坝土工膜时被阻挡。一旦排渗失效，可以从图3.3看出，由于土工膜的作用，浸润线不会通过各级子坝，但是子坝底部的粉煤灰处于饱和状态，且压力水头较高。其它工况下的计算结果与0m干滩的计算结果较为类似，只是随着干滩长度的增长，浸润线降低得比较平缓。
