基于AUTOBANK防洪堤邊坡滲流及穩定分析

李佳雨桐

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概 述

庫車城市防洪工程防洪堤級別為2級堤防，防洪標準為50 a一遇洪水標準，相應的設計流量為189.85 m3/s。堤防工程中，防洪堤的滲流穩定以及邊坡穩定是工程設計中需要考慮的重要問題。因此，在設計后要運用合理、可靠的方式對設計的結構進行滲流穩定及抗滑穩定分析，保證設計的合理性及工程的安全性。

AUTOBANK水工結構有限元分析系統，是河海大學力學系專門針對水利行業的需求設計的，可對滲流、變形、應力及穩定進行一體化計算，從建模、材料賦予、網格劃分及后處理各個階段無縫銜接，同時與AUTOCAD聯合運用，使計算建模更為便捷。

本文通過使用AUTOBANK對設計的防洪堤進行水工建模分析，采用工程地勘的實際數據作為模型參數，最大程度還原模型真實性，通過模擬分析，得到防洪堤滲流穩定結果及抗滑穩定結果，給設計以指導。

2 建立模型

本次新疆庫車防洪堤工程設計的防洪堤利用現場的原土填筑，即低液限粉土進行堤身填筑。邊坡一坡到底，迎水面設計邊坡為1∶2.00，背水面邊坡為1∶1.75。堤頂寬度為6.00 m，堤頂高程1066.43 m，設計水位高程1065.03 m[1]。

在AUTOCAD軟件中，根據實際設計情況，建立設計模型，將模型簡化后導入AUTOBANK計算軟件中，進行材料屬性定義、計算參數定義以及網格劃分等前期建模工作，將模型建立完全后進行計算分析。

3 計算分析

3.1 計算工況

3.1.1 滲流穩定計算工況

堤身滲流穩定計算，主要是通過計算浸潤線、平均水力坡降、堤后坡滲流出口比降，判別堤身的滲透穩定性。根據實際運用情況的需要，本次取設計洪水位工況進行滲流穩定分析，即在防洪設計流量情況下，定義堤前水位，計算分析防洪堤滲流穩定情況。

3.1.2 邊坡穩定計算工況

采用瑞典圓弧法計算堤坡抗滑穩定安全系數，用計算得到的結果與規范允許值比較，以判別堤身邊坡穩定性。本次取以下工況：正常運用條件及兩種非常運用條件[2]。

正常運用條件：設計洪水位下的不穩定滲流期的背水側堤坡。

非常運用條件：施工期的臨水、背水堤坡；多年平均水位時遭遇地震的臨水側堤坡。

3.2 計算參數

防洪堤沿線地質條件為低液限粉土，堤身采用原土回填，即同樣為低液限粉土。本次堤身及地基的相關計算參數如表1、表2所示。

表1 堤身計算參數取值

表2 堤基計算參數取值

3.3 邊界條件

考慮水、土的壓縮性，符合二向非均質各項異性土體滲流的達西定律，其基本方程如式(1)、式(2)所示：

土壩非穩定滲流基本方程：

(1)

當水、土不可壓縮時，上式變為：

(2)

式中：h0為邊界水頭；n為邊界外法線方向；z為浸潤線幾何坐標[3]。

4 結果分析

本文以庫車城市防洪工程防洪堤作為工程實

例進行分析，防洪堤堤身采用均質土堤。迎水面設計邊坡為1∶2.00，背水面邊坡為1∶1.75。堤頂寬度為6.00 m，堤頂高程1066.43 m，設計水位高程1065.03 m，根據實際地勘參數，同時對堤身進行滲流穩定及邊坡穩定分析。

4.1 滲流穩定結果分析

本次新疆庫車防洪堤工程設計，對防洪堤設計洪水位工況的滲流穩定進行分析，計算出堤身最大比降，求得最大允許比降值為0.086，該值小于地質勘查提供的允許比降值0.150，因此，堤身滲流穩定滿足要求，設計基本合理，程序將繪制出浸潤線圖，可觀察堤身滲流路徑[4]。堤身滲透穩定成果見表3，浸潤線圖見圖1。

表3 堤坡滲透穩定計算成果

圖1 浸潤線圖(單位：m)

4.2 抗滑穩定結果分析

本次新疆庫車防洪堤工程設計，對防洪堤正常運用條件的一種工況及非常運用條件的兩種工況進行了抗滑穩定分析計算，分別計算出三種情況下各自的抗滑穩定安全系數并與規范所規定的允許值比較，驗證設計的合理性，同時，繪制出三種情況的滑弧面，直觀觀察抗滑穩定結果[5]。抗滑穩定安全系數成果見表4，危險滑弧面圖見圖2～圖4。

表4 防洪工程堤坡抗滑穩定計算成果

圖2 正常工況計算值滑弧圖(單位：m)

圖3 非常工況Ⅰ計算值滑弧圖(單位：m)

圖4 非常工況Ⅱ計算值滑弧圖(單位：m)

5 結 語

本文應用AUTOBANK有限元分析程序，結合工程實例，便捷的模擬分析出設計的水工建筑物在實際工程場地中的滲流穩定情況以及邊坡穩定情況，分析結果給出了設計所需要參考的力學數值及可視化計算結果，及時糾偏，通過計算結果與允許范圍比較，給設計提供直觀的重要的參考和指導，從而確定合理的設計方案，有效的提高了設計效率以及設計的安全性。