堤防渗流稳定计算的探讨及应用

2018-01-23 10:37马光怡马占龙

黑龙江水利科技 2017年11期

马光怡，马占龙

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

0 引言

堤坝是水利水电工程的重要建筑物之一，其安全性关系到国计民生。工程实践表明，堤坝的主要破坏形式是渗透破坏，因此对堤坝进行渗流稳定计算也是保证堤坝安全的重中之重。

Autobank软件是由河海大学针对我国水利行业的要求而设计的，采用有限元技术，可对堤防、土坝、涵洞、水闸等水工建筑物进行详细的分析计算。它可将渗流、稳定、应力计算实现一体化，使各计算阶段无缝结合。软件全部采用图形化界面，具有操作简便的特点。同时该软件的计算方法目前处于我国水利设计行业的领先水平，软件运行稳定，计算结果可靠。

1 软件应用

Autobank应用遵循以下操作步骤：

1)在Autocad中建模，制图比例为1:1000，单位为m。将文件保存为.dxf格式。启动Autobank，将建好的模型导入Autobank中。

2)信息录入：定义工程中的材料属性，并为各分层区域选择对应的材料属性。

3)网格划分：对模型进行自动网格划分。为使结果更加准确，我们常采用纯三角网格形式进行模型划分。

4)渗流边界条件确定：将上下游水位信息录入软件，并绘制边界线H和边界线P=0。

5)在求解之前需对Autobank已录入数据进行更新，若出现数据错误或者边界拟合不完全的提示信息，按提示进行修改直至无错误信息提示即可进行求解。

6)对模型进行渗流计算：直接显示的计算结果只有渗流量，其他例如浸润线、等势线、流速等值线图、流速矢量图、水力坡降等值线等均可通过操作界面中“渗流计算”的下拉菜单中的“渗流场后处理”进行查看。

7)稳定计算：采用毕肖普法对正常运行期及施工期两种工况进行稳定计算。

2 计算原理

2.1 计算渗流的原理

水和土的压缩性符合达西定律，其基本方程为：

(1)

式中：h为水头，m；kx、ky、kz为沿x、y、z方向的渗透系数。

2.2 计算稳定的原理

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013) ，堤防边坡稳定可按简化毕肖普法计算，其计算公式如下:

(2)

式中：W为土条重量，kN；Q、V为水平和垂直地震惯性力(V向上为负，向下为正)，kN；μ为作用于土条底面的孔隙压力，kN/m2；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°；b为土条宽度，m；c′为土条底面的有效凝聚力，kN/m2；φ′为土条底面有效内摩擦角，°；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；R为圆弧半径，m。

3 实例说明

3.1 工程概况

逊别拉河属于山区性河流，降雨集中，河流坡陡流急，河槽狭窄，泄洪能力小，洪水暴涨暴落，经常出槽，流域洪涝灾害发生频繁，自1928年以来，逊别拉河流域共发生了14次较大洪水。每次洪水都给沿岸村屯、农田造成极大的损失。地处逊别拉河中上游段的孙吴县是洪涝灾害的重灾区，该县有为数不少的村屯都依傍在地势比较低洼的河道沿岸，由于孙吴县所处的特殊地理环境和以山为主的地形条件，决定了其深受洪涝灾害的必然性。而且该流域水力资源开发较晚，利用程度偏低，现有水利工程不多，抵御洪涝灾害的能力极低，致使逊别拉河洪水经常泛滥[1]。

洪涝、内涝、水土流失等灾害已严重影响了河道两岸工农业生产的发展和人民生命财产的安全。而且，目前防洪工程治理的速度和标准远远满足不了流域沿岸工农业生产、生活日益发展的需要。为繁荣沿岸居民，使其安居乐业，必须加强逊别拉和防洪工程建设，采取综合治理措施，建设高标准、高质量、完整统一的防洪工程体系是非常必要的。

3.2 结论分析

针对逊别拉河流域某堤防某断面的结构形式及相关地质参数，采用上述软件操作方法对该断面进行渗流稳定计算。根据地质提供的资料，堤身为低液限黏土，渗透系数为6.5E-06cm/s，地基一为级配不良粗砂，渗透系数为5.78E-02 cm/s，地基二为级配不良粗砾，渗透系数为2.31E-01cm/s。上游水位为1.2m，下游水位为0m。在Autocad软件中建模，尺寸与原始断面一致，建模断面如图1。网格划分形式采用纯三角形网格，参考单元尺寸取0.5。计算结果如图2-图4 所示，分别给出了堤防浸润线、堤防渗流水头、堤防流速矢量图以及正常运行期堤防边坡稳定计算图的结果示意图。根据Autobank软件提供的相关计算结果，可以更加准确、直观的观察堤防内部渗流场情况，为堤防工程设计提供更加可靠的依据。