基于Autobank的荊方泵站上游圍堰滲流穩定分析

王桂智，楊慶慶，蔣文志，李建剛，武 蒙

(1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；2.揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007)

圍堰是指在水利工程建設中，為建造永久性水利設施而修建的臨時性圍護結構。其作用是防止水和土進入建筑物的修建位置，以便在圍堰內排水，開挖基坑，修筑建筑物[1]。土圍堰作為常見的一種圍堰型式，在水利水電工程中使用較為廣泛[2]。土圍堰的安全問題關系著主體工程的順利實施以及工程的質量進度，一旦失事后果十分嚴重，因而對圍堰的滲流穩定計算分析就顯得尤為重要[3]。本文以荊方泵站上游圍堰為例，利用Autobank軟件對不同工況下的圍堰滲流過程進行模擬，并做整體抗滑穩定分析，根據模擬計算結果對上游圍堰進行加固方案設計并提出相關建議，以期對同類工程起到一定的參考作用。

1 工程概況

荊方排澇泵站工程位于蕪湖市荊山河與青弋江交匯處，是蕪湖市中片水網區防洪治澇體系調整的骨干工程之一，也是蕪湖市重要的城市排澇基礎設施之一，泵站設計排澇流量約50m3/s，總裝機容量5880kW。根據本工程初步設計報告及其審查批復意見，本工程圍堰為4級水工建筑物設計，圍堰防洪標準取10～20a一遇的洪水位。

圍堰設計頂寬6.0m，在兩側邊坡高程7.0m處均設寬3.0m的平臺，平臺以上坡比為1∶3，平臺以下坡比為1∶4。在荊方泵站圍堰施工時，由于受到征地拆遷的影響導致圍堰未能在枯水期完成，圍堰填筑受工期和降雨的影響，圍堰填筑期土方壓實較為困難。經檢測，現狀圍堰壓實度為0.85～0.95，未能達到規范[4]中“3級以下堤防不應小于0.91”的強制性要求。為確保本工程圍堰防洪安全，必須對現狀圍堰進行安全復核，分析圍堰結構的安全性，并根據圍堰安全復核情況提出相應的工程處理措施。鑒于文章篇幅，本文只對上游圍堰進行滲流穩定分析。上游圍堰土層地質指標見表1。

現狀上游圍堰斷面如圖1所示。

2 圍堰滲流穩定分析

2.1 Autobank軟件模型

Autobank軟件是目前國內水利設計院通用的水工結構有限元計算軟件。它由河海大學研制開發，計算模塊采用有限元原理，可用于堤防、土石壩等水工建筑物的滲流、穩定計算，結果較為準確可靠[5]。

Autobank軟件基于水力學原理而設計，其基本原理為達西定律[6]，基本方程[7]為：

(1)

式中，h0—邊界水頭；n—邊界外法線方向；z—浸潤線上各點的幾何縱坐標值。

表1 上游圍堰土層地質指標成果

圖1 現狀上游圍堰斷面

圖2 上游圍堰校核防洪水位水力坡降等值線

2.2 滲流計算

根據規范[4]對滲流及滲透穩定性計算的要求，對類似于堤防的均質土圍堰工程應計算求得滲流場內的水頭、壓力、坡降、滲流量等水力要素。按照本工程上游圍堰特征水位組合，經分析，在圍堰外側水位達到校核防洪水位11.50m、圍堰內部無水(地面高程6.0m)時，圍堰兩側水位差最大，對圍堰的滲流穩定最為不利。在圍堰滲流穩定分析時，運用Autobank建立平面計算模型，采用自動單元網格劃分方法，單元長度設為1，圍堰斷面劃分為若干三角形單元，并按照圍堰滲流計算水位組合情況，確定滲流邊界，進行圍堰結構滲流分析。具體計算成果如圖2所示。

經計算，上游圍堰背水坡滲流溢出點高程為7.56m，滲出段最大水力坡降0.541，大于A層土的允許水力坡降0.39，坡腳水平段最大水力坡降0.676，大于地基2層土允許水力坡降0.28，滲流穩定性不滿足規范要求，需進行相關處理。

2.3 穩定計算

根據規范[4]，圍堰抗滑穩定分析采用瑞典圓弧法，應用Autobank軟件進行分析計算。按照本工程地質勘察報告揭示的土層分布情況及相應土層的地質指標，經計算，上游圍堰在不同運行工況下結構抗滑穩定計算具體成果見表2。

表2 上游圍堰抗滑穩定復核成果

圖3 上游圍堰抗滑穩定計算成果

圖4 上游圍堰加固斷面

抗滑穩定成果如圖3所示。

根據計算結果，上游圍堰迎水坡在設計低水位工況下，抗滑安全系數1.08略小于規范允許值；背水坡在設計防洪水位工況下，抗滑安全系數1.11<1.15，不滿足規范要求，需對上游圍堰進行加固處理。

3 圍堰加固設計

根據上游圍堰安全復核成果，對上游圍堰進行加固處理。

首先，清除現狀堤頂雜物，加高堤防至12.50m、頂寬6.0m，迎水面堤頂設置高1m、寬1m的袋裝土擋浪子堰，控制子堰頂高程13.50m，以滿足防洪高度的規范要求；其次，在背水坡增設寬3m的后戧臺，設計戧臺頂高程為8.5m，并將現狀戧臺頂高程提高至10.0m，控制壓實度不小于0.91。

然后按照滲流計算情況，在背水坡設置貼坡反濾體，加固后圍堰滲流溢出點高程為7.33m，設計反濾體頂高程為7.50m，反濾體采用袋裝砂石、厚50cm，并在坡腳設置排水體，解決水平段滲流水力坡降超標問題，以提高圍堰滲流穩定性。加固后圍堰斷面如圖4所示。

對加固后上游圍堰進行抗滑穩定計算、滲流分析，穩定計算成果見表3。

表3 上游圍堰加固后抗滑穩定計算成果

抗滑穩定成果如圖5所示。

根據抗滑穩定計算，加固后的圍堰結構在各運行工況下最小抗滑安全系數均滿足規范對4級堤防的抗滑穩定要求；迎水坡的抗滑安全系數在設計低水位時略小于規范允許值。考慮到在該工況下，圍堰出現滑動，對區域和工程建設造成的危害較小，同時鑒于現狀圍堰填筑土尚未完全固結，隨著時間的推移填筑土持續固結，土層地質指標將進一步提高，圍堰抗滑穩定性也將進一步提高。故此系數暫按安全范圍考慮，建議加強對上下游圍堰的迎水坡變形的觀測，尤其是在水位降落時，需增加觀測頻次，一旦發現較大的變形，立即在迎水面坡腳處填筑壓重平臺，以確保圍堰安全。

圖5 上游圍堰加固后抗滑穩定計算成果

圖6 上游圍堰加固后校核防洪水位水力坡降等值線

滲流分析具體計算成果如圖6所示。

由圖6可知，圍堰內側經加固處理后，滲流水力坡降得到了有效降低，同時反濾體及坡腳排水體可有效處理水平段滲流水力坡降超標問題，保證圍堰的滲流穩定性。

4 結語

以荊方泵站上游圍堰為實例，利用Autobank軟件對現有上游圍堰及加固后圍堰進行滲流穩定及抗滑穩定計算分析，可得到以下結論。

(1)現狀上游圍堰在某些工況下抗滑穩定安全系數不滿足規范要求，需進行加固處理；滲流穩定性不滿足規范要求，對坡面和坡腳滲流水力坡降超出土層允許值范圍的需設置反濾體，以提高圍堰的滲流穩定性。

(2)上游圍堰背水坡增設后戧臺，并提高現狀戧臺頂高程，加固后的圍堰在各運行工況下抗滑穩定安全系數滿足規范要求；在背水坡坡腳設置貼坡反濾體，并在坡腳設置排水體，可解決水平段滲流水力坡降超標問題，提高圍堰滲流穩定性。

(3)Autobank軟件可有效模擬滲流場并進行圍堰滲流穩定及抗滑穩定計算，計算結果準確可靠，可對國內土壩工程滲流穩定分析提供有效技術支持。