AutoBank 在土石壩畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

淡 倉(cāng)

（云南水利水電職業(yè)學(xué)院， 云南 昆明 650499）

0 前言

高職院校最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)是畢業(yè)實(shí)踐教學(xué)，畢業(yè)實(shí)踐具有綜合性和專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。而畢業(yè)設(shè)計(jì)是高職院校工科類專業(yè)畢業(yè)實(shí)踐教學(xué)最傳統(tǒng)的形式之一[2]。本文以高職水利類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的土石壩除險(xiǎn)加固項(xiàng)目為例，介紹AutoBank 軟件在土石壩滲流和穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用，總結(jié)土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)思路，以期提高學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的效率，為在校師生以及相關(guān)設(shè)計(jì)工作者提供參考。

1 AutoBank 軟件使用方法

AutoBank 軟件根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求編寫，專業(yè)特點(diǎn)顯著[3]。軟件可進(jìn)行固結(jié)、滲流、穩(wěn)定、內(nèi)力位移、應(yīng)力應(yīng)變以及水工建筑物整體穩(wěn)定計(jì)算分析[4]。軟件建模靈活，可單獨(dú)使用本軟件進(jìn)行建模，亦可導(dǎo)入AutoCAD 圖形文件進(jìn)行建模，給水利水電工程技術(shù)人員帶來(lái)極大方便。

運(yùn)用AutoBank7.7 軟件進(jìn)行土石壩滲流及邊坡穩(wěn)定計(jì)算需要用到軟件的建模、滲流分析、穩(wěn)定分析三個(gè)模塊，計(jì)算流程如圖1 所示。

圖1 AutoBank7.7 滲流穩(wěn)定計(jì)算流程圖

2 畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用分析

2.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)

2.1.1 工程概況

D 水庫(kù)位于云南省中部地區(qū)，屬金沙江流域，總庫(kù)容207.33 萬(wàn)m3。現(xiàn)狀大壩為均質(zhì)土壩，壩高23.9m，壩頂路面寬3.5m，長(zhǎng)290m，壩頂高程1876.90m。上游采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，1865.50m 處設(shè)2m 寬的馬道，馬道以上坡度1:2.75，以下坡度1:3。下游采用種草護(hù)坡，1867.60m 處設(shè)2m 寬的馬道，馬道以上坡度1:2.4，以下坡度1:2.5。現(xiàn)狀排水棱體內(nèi)坡坡度1:1，外坡坡度1:1.5，頂高程1858.50m。

2.1.2 病險(xiǎn)情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并對(duì)現(xiàn)狀大壩進(jìn)行滲流及壩坡穩(wěn)定安全復(fù)核，發(fā)現(xiàn)大壩存在如下病險(xiǎn)問(wèn)題：

（1）壩頂混凝土預(yù)制塊路面受車輛碾壓破壞嚴(yán)重；

（2）上游混凝土預(yù)制塊護(hù)坡局部風(fēng)化破損嚴(yán)重；

（3）下游壩坡無(wú)岸坡排水設(shè)施，壩肩結(jié)合部沖刷嚴(yán)重；

（4）下游壩坡踏步破損嚴(yán)重；

（5）下游排水棱體堵塞失效，導(dǎo)致高水位時(shí)浸潤(rùn)線從下游壩坡出逸；

（6）下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)偏低。

2.1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)

（1）根據(jù)大壩現(xiàn)狀病險(xiǎn)情況擬定除險(xiǎn)加固措施；

（2）對(duì)加固后大壩進(jìn)行滲流和壩坡穩(wěn)定效果分析。

2.2 大壩加固措施制定及效果分析

2.2.1 大壩加固的措施

針對(duì)上述的大壩現(xiàn)狀病險(xiǎn)分析及穩(wěn)定性評(píng)估成果，制定了以下除險(xiǎn)加固措施：

（1）加寬壩頂寬度到5m，并新建壩頂路面；

（2）修復(fù)上游混凝土預(yù)制塊護(hù)坡破損部位；

（3）平整下游壩肩結(jié)合部，并新建排水溝；

（4）拆除并新建下游壩坡踏步；

（5）拆除并新建下游排水體，排水體與壩體間設(shè)置反濾層；

（6）放緩下游第二級(jí)壩坡坡度到1:3。

2.2.2 加固后滲流計(jì)算

（1）計(jì)算斷面和指標(biāo)選取

滲流計(jì)算斷面選取加固后各壩段最危險(xiǎn)橫斷面。在計(jì)算中根據(jù)大壩壩體、壩基的材料性質(zhì)組成將斷面劃為4 個(gè)分區(qū)，并分別對(duì)其邊界條件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。由于缺乏資料，計(jì)算中近似認(rèn)為水平和垂直方向滲透系數(shù)值相等[5]。加固后大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算典型斷面見圖2（圖中虛線為現(xiàn)狀大壩橫斷面），各分區(qū)材料的滲流計(jì)算指標(biāo)見表1。

圖1 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算斷面圖 (單位：m)

表1 大壩滲流計(jì)算指標(biāo)表

（2）計(jì)算方法和效果分析

滲流計(jì)算包括三方面內(nèi)容[6]：確定壩體浸潤(rùn)線位置；計(jì)算滲流量；判斷其滲透穩(wěn)定性。這三方面計(jì)算都可通過(guò)AutoBank 軟件實(shí)現(xiàn)。浸潤(rùn)線位置和等勢(shì)線圖可由軟件自動(dòng)生成；滲流量可由軟件計(jì)算出的單寬滲流量結(jié)合壩體尺寸進(jìn)行計(jì)算；滲透穩(wěn)定性的判斷需先計(jì)算出壩體允許滲透比降（[J]）[7-8]，再和軟件計(jì)算出的壩體最大滲透比降（Jmax）進(jìn)行比較判定。大壩滲流計(jì)算選取4 種工況，正常蓄水位時(shí)的浸潤(rùn)線和等勢(shì)線見圖3，各工況滲流計(jì)算結(jié)果見表2。

圖2 大壩浸潤(rùn)線及等勢(shì)線圖

表2 大壩滲流計(jì)算成果表

新建排水棱體后各種工況浸潤(rùn)線位置明顯下降。正常蓄水位時(shí)水庫(kù)滲流量為4.76L/s，折合年滲流量約為7.51 萬(wàn)m3，占興利庫(kù)容的4.45%。各工況壩體最大滲透比降均大于壩料自身允許滲透比降，但由于排水體與壩體間設(shè)置了反濾層，可大大提高壩料抵抗?jié)B透破壞的能力，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9-10]，允許滲透比降可提高至數(shù)十，因此在反濾層保護(hù)下壩料不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

3 加固后穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算斷面和指標(biāo)選取

加固后大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算斷面選取同滲流計(jì)算斷面（見圖2）。計(jì)算中近似認(rèn)為水上和水下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相等，各分區(qū)材料的穩(wěn)定計(jì)算指標(biāo)見表3。

表3 大壩穩(wěn)定計(jì)算指標(biāo)表

3.2 計(jì)算方法和效果分析

選取5 種工況，分別采用瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化Bishop 法對(duì)加固后壩坡抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算。將各分區(qū)土料穩(wěn)定計(jì)算指標(biāo)輸入AutoBank 軟件，可一次性計(jì)算出各工況上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K。計(jì)算結(jié)果見表4，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的滑裂面位置見圖4。

表4 大壩穩(wěn)定計(jì)算成果表

通過(guò)與規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)比較，發(fā)現(xiàn)大壩上、下游壩坡在各工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范值，所以加固處理后大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定均滿足要求。

圖3 大壩穩(wěn)定計(jì)算滑裂面圖

4 結(jié)論

通過(guò)采用AutoBank 軟件對(duì)D 水庫(kù)進(jìn)行加固效果分析的成果，可看出：（1）庫(kù)水位升高，浸潤(rùn)線位置隨之升高，單寬滲流量和滲透出逸比降也隨之增大；（2）同工況下瑞典圓弧法計(jì)算出的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較簡(jiǎn)化Bishop 法計(jì)算結(jié)果要小，這是由于瑞典圓弧法未計(jì)及條間作用力；（3）排水棱體堵塞和壩坡過(guò)陡都會(huì)影響大壩下游壩坡穩(wěn)定，D 水庫(kù)采取新建排水棱體并放緩下游二級(jí)壩坡的方法，有效提高了大壩下游壩坡的穩(wěn)定性。

土石壩畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用AutoBank 軟件進(jìn)行大壩滲流和邊坡穩(wěn)定計(jì)算，將對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的計(jì)算過(guò)程帶來(lái)極大便利，并且可以對(duì)手算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，熟練掌握工程軟件的使用方法還可以擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，提高崗位競(jìng)爭(zhēng)力和適應(yīng)能力。