堤防滲流穩(wěn)定計(jì)算的探討及應(yīng)用

馬光怡，馬占龍

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

堤壩是水利水電工程的重要建筑物之一，其安全性關(guān)系到國計(jì)民生。工程實(shí)踐表明，堤壩的主要破壞形式是滲透破壞，因此對(duì)堤壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算也是保證堤壩安全的重中之重。

Autobank軟件是由河海大學(xué)針對(duì)我國水利行業(yè)的要求而設(shè)計(jì)的，采用有限元技術(shù)，可對(duì)堤防、土壩、涵洞、水閘等水工建筑物進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算。它可將滲流、穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算實(shí)現(xiàn)一體化，使各計(jì)算階段無縫結(jié)合。軟件全部采用圖形化界面，具有操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。同時(shí)該軟件的計(jì)算方法目前處于我國水利設(shè)計(jì)行業(yè)的領(lǐng)先水平，軟件運(yùn)行穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果可靠。

1 軟件應(yīng)用

Autobank應(yīng)用遵循以下操作步驟：

1)在Autocad中建模，制圖比例為1:1000，單位為m。將文件保存為.dxf格式。啟動(dòng)Autobank，將建好的模型導(dǎo)入Autobank中。

2)信息錄入：定義工程中的材料屬性，并為各分層區(qū)域選擇對(duì)應(yīng)的材料屬性。

3)網(wǎng)格劃分：對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分。為使結(jié)果更加準(zhǔn)確，我們常采用純?nèi)蔷W(wǎng)格形式進(jìn)行模型劃分。

4)滲流邊界條件確定：將上下游水位信息錄入軟件，并繪制邊界線H和邊界線P=0。

5)在求解之前需對(duì)Autobank已錄入數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或者邊界擬合不完全的提示信息，按提示進(jìn)行修改直至無錯(cuò)誤信息提示即可進(jìn)行求解。

6)對(duì)模型進(jìn)行滲流計(jì)算：直接顯示的計(jì)算結(jié)果只有滲流量，其他例如浸潤線、等勢(shì)線、流速等值線圖、流速矢量圖、水力坡降等值線等均可通過操作界面中“滲流計(jì)算”的下拉菜單中的“滲流場(chǎng)后處理”進(jìn)行查看。

7)穩(wěn)定計(jì)算：采用畢肖普法對(duì)正常運(yùn)行期及施工期兩種工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。

2 計(jì)算原理

2.1 計(jì)算滲流的原理

水和土的壓縮性符合達(dá)西定律，其基本方程為：

(1)

式中：h為水頭，m；kx、ky、kz為沿x、y、z方向的滲透系數(shù)。

2.2 計(jì)算穩(wěn)定的原理

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013) ，堤防邊坡穩(wěn)定可按簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算，其計(jì)算公式如下:

(2)

式中：W為土條重量，kN；Q、V為水平和垂直地震慣性力(V向上為負(fù)，向下為正)，kN；μ為作用于土條底面的孔隙壓力，kN/m2；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，°；b為土條寬度，m；c′為土條底面的有效凝聚力，kN/m2；φ′為土條底面有效內(nèi)摩擦角，°；Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

3 實(shí)例說明

3.1 工程概況

遜別拉河屬于山區(qū)性河流，降雨集中，河流坡陡流急，河槽狹窄，泄洪能力小，洪水暴漲暴落，經(jīng)常出槽，流域洪澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，自1928年以來，遜別拉河流域共發(fā)生了14次較大洪水。每次洪水都給沿岸村屯、農(nóng)田造成極大的損失。地處遜別拉河中上游段的孫吳縣是洪澇災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，該縣有為數(shù)不少的村屯都依傍在地勢(shì)比較低洼的河道沿岸，由于孫吳縣所處的特殊地理環(huán)境和以山為主的地形條件，決定了其深受洪澇災(zāi)害的必然性。而且該流域水力資源開發(fā)較晚，利用程度偏低，現(xiàn)有水利工程不多，抵御洪澇災(zāi)害的能力極低，致使遜別拉河洪水經(jīng)常泛濫[1]。

洪澇、內(nèi)澇、水土流失等災(zāi)害已嚴(yán)重影響了河道兩岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。而且，目前防洪工程治理的速度和標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了流域沿岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活日益發(fā)展的需要。為繁榮沿岸居民，使其安居樂業(yè)，必須加強(qiáng)遜別拉和防洪工程建設(shè)，采取綜合治理措施，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量、完整統(tǒng)一的防洪工程體系是非常必要的。

3.2 結(jié)論分析

針對(duì)遜別拉河流域某堤防某斷面的結(jié)構(gòu)形式及相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，采用上述軟件操作方法對(duì)該斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算。根據(jù)地質(zhì)提供的資料，堤身為低液限黏土，滲透系數(shù)為6.5E-06cm/s，地基一為級(jí)配不良粗砂，滲透系數(shù)為5.78E-02 cm/s，地基二為級(jí)配不良粗礫，滲透系數(shù)為2.31E-01cm/s。上游水位為1.2m，下游水位為0m。在Autocad軟件中建模，尺寸與原始斷面一致，建模斷面如圖1。網(wǎng)格劃分形式采用純?nèi)切尉W(wǎng)格，參考單元尺寸取0.5。計(jì)算結(jié)果如圖2-圖4 所示，分別給出了堤防浸潤線、堤防滲流水頭、堤防流速矢量圖以及正常運(yùn)行期堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算圖的結(jié)果示意圖。根據(jù)Autobank軟件提供的相關(guān)計(jì)算結(jié)果，可以更加準(zhǔn)確、直觀的觀察堤防內(nèi)部滲流場(chǎng)情況，為堤防工程設(shè)計(jì)提供更加可靠的依據(jù)。

圖1 堤防計(jì)算斷面

圖2 堤防滲流水頭分布

圖3 堤防滲流流速矢量圖

圖4 正常運(yùn)行期堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算圖

4 結(jié) 語

Autobank可以與Autocad實(shí)現(xiàn)文件共享，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了更大的便利。同時(shí)Autobank可以較好的模擬工程斷面實(shí)際情況，依據(jù)地質(zhì)資料，可以更加快捷、準(zhǔn)確的計(jì)算出滲流穩(wěn)定的成果，為堤防的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供可靠的計(jì)算依據(jù)，同時(shí)也給工程設(shè)計(jì)人員減輕了負(fù)擔(dān)提高了工作效率。

[1]黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省孫吳縣遜別拉洪河干流治理工程可行性研究報(bào)告[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2016.