AutoBank軟件在圍堰邊坡滲流穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064；2.湖北省洪湖分蓄洪區(qū)工程管理局，湖北 荊州 433200)

1 工程概況

洪湖分蓄洪區(qū)是長(zhǎng)江中下游整體防洪體系的重要組成部分，是處理城陵磯地區(qū)超額洪水，保障荊江大堤、武漢市防洪安全的一項(xiàng)重要工程設(shè)施，蓄洪區(qū)總面積877.49km2。補(bǔ)元退洪閘是洪湖分蓄洪工程中以退洪為主的大型泄水閘，閘址位于長(zhǎng)江干堤402+500處，穿堤布置，閘室段采用開敞式平底板結(jié)構(gòu)，共14孔，單孔寬10m。

補(bǔ)元閘施工跨汛期，鑒于破堤施工，圍堰作為長(zhǎng)江干堤一部分擋水度汛，其導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)采用相應(yīng)堤防設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)。圍堰總長(zhǎng)約511.60m，全年設(shè)計(jì)洪水位按29.43m計(jì)，堰頂高程30.93m，最大堰高8.83m，堰頂寬6m；設(shè)計(jì)洪水位29.43m以下邊坡為1∶3，以上邊坡為1∶2.5；在迎水面27.00m高程處設(shè)置1.50m寬平臺(tái)。圍堰斷面尺寸見圖1。

圖1 圍堰斷面(尺寸單位：cm)

2 地質(zhì)條件

圍堰位于長(zhǎng)江干堤外側(cè)灘地，地形平緩。地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積地層，具明顯的沉積韻律，呈二元結(jié)構(gòu)，上部黏性土層厚15～20m，局部大于20m，下伏粉砂、細(xì)砂層。分布的地層主要有：①圍堰填土、②淤泥質(zhì)土、③粉質(zhì)黏土、④-1粉質(zhì)壤土、④-2砂壤土、⑤粉砂。各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 圍堰基礎(chǔ)土層物理力學(xué)指標(biāo)值

圍堰基礎(chǔ)坐落在淤泥質(zhì)土層上，存在地基承載力低、抗剪強(qiáng)度低以及壓縮性高等問題，需要對(duì)淤泥質(zhì)土進(jìn)行置換處理。技施階段已將圍堰基礎(chǔ)范圍內(nèi)淤泥質(zhì)土全部挖除，圍堰基礎(chǔ)坐落在粉質(zhì)黏土層上。

3 計(jì)算理論與方法

3.1 滲流計(jì)算

二維穩(wěn)定滲流的微分方程為

第一類邊界條件，即水頭邊界條件為

H|Γ1=f(x,y,z)

第二類邊界條件，即流量邊界條件為

第三類邊界條件，即自由面邊界條件為

穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算式為

[K]{H}={F}

以上式中kx、ky——x、y方向的滲透系數(shù)；

H——飽和—非飽和水流總水頭；

[K]——滲透矩陣。

3.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

抗滑穩(wěn)定分析采用簡(jiǎn)化畢肖普法,計(jì)算時(shí)考慮堰頂汽-20的汽車荷載。

穩(wěn)定滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算采用有效應(yīng)力法，計(jì)算公式為

施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算采用總應(yīng)力法，計(jì)算公式為

計(jì)算水位降落期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)，采用有效應(yīng)力法計(jì)算用穩(wěn)定滲流期公式，水位取驟降后水位；采用總應(yīng)力法計(jì)算公式為

式中W——土條重量,kN；

u——作用于土條底端的孔隙壓力,kN/m2；

α——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——土條寬度,m；

W1——條塊在堤坡外水位以上部分的重量(浸潤(rùn)線以上按濕重度、浸潤(rùn)線以下按飽和重度計(jì))；

W2——條塊在堤坡外水位以下部分的重量(按浮重度計(jì))；

Z——堤坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離，m；

ui——水位降落前堤身的孔隙壓力，kN/m2；

γw——水的重度，kN/m3；

Cu、φu——快剪強(qiáng)度指標(biāo)；

Ccu、φcu——固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)；

C′、φ′——慢剪強(qiáng)度指標(biāo)。

4 計(jì)算過程及結(jié)果

4.1 計(jì)算工況

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)及圍堰的施工、運(yùn)行條件，擬核算施工期的臨水和背水側(cè)堰坡、穩(wěn)定滲流期的背水側(cè)堰坡、水位降落期的臨水側(cè)堰坡三種工況的邊坡穩(wěn)定性。各計(jì)算工況及穩(wěn)定分析內(nèi)容見表2。

表2 計(jì)算工況一覽

4.2 計(jì)算過程

4.2.1 導(dǎo)入CAD計(jì)算斷面

在CAD中，按照1∶1000的比例畫出計(jì)算斷面，然后啟動(dòng)AutoBank軟件，點(diǎn)擊相關(guān)按鈕直接導(dǎo)入dwg格式斷面圖，并進(jìn)行分區(qū)。

4.2.2 導(dǎo)入土層信息

在AutoBank軟件材料表中輸入各個(gè)土層的重度、黏聚力和內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)指標(biāo)。

4.2.3 單位劃分

采用自動(dòng)劃分三角形網(wǎng)格的方式，進(jìn)行計(jì)算單元?jiǎng)澐?。劃分單元前?yīng)檢查計(jì)算斷面中各個(gè)土層線的拐點(diǎn)位置，并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使土層線的形狀有利于單元網(wǎng)格劃分。

4.2.4 邊界條件輸入

在臨水側(cè)和背水側(cè)分別輸入水位邊界線和出逸邊界線。

4.2.5 滲流計(jì)算

施工期和穩(wěn)定滲流期求解穩(wěn)定滲流，水位降落期考慮時(shí)間因素求解非穩(wěn)定滲流。計(jì)算完成后進(jìn)行滲流場(chǎng)后處理，查看浸潤(rùn)線位置、出逸點(diǎn)、出逸比降以及滲流量等參數(shù)是否滿足要求。

4.2.6 穩(wěn)定計(jì)算

選定浸潤(rùn)線、計(jì)算范圍，采用簡(jiǎn)化畢肖普法依次對(duì)3種工況進(jìn)行計(jì)算，得到最危險(xiǎn)劃弧面及相應(yīng)的安全系數(shù)，判斷計(jì)算結(jié)果的合理性，給出計(jì)算結(jié)論。

4.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上所述計(jì)算參數(shù)、水位等計(jì)算條件，經(jīng)計(jì)算分析，各工況下圍堰邊坡的滲流穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求，圍堰邊坡是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生滲透穩(wěn)定破壞。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 圍堰基坑邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 語

通過上述實(shí)例分析，AutoBank軟件可較好地模擬圍堰斷面，快速計(jì)算出滲流場(chǎng)及穩(wěn)定系數(shù)，為工程設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化及施工進(jìn)度安排提供可靠的計(jì)算依據(jù)。AutoBank軟件與AutoCAD軟件同界面使用，建模簡(jiǎn)單，可視化強(qiáng)，避免了手算的繁雜和不準(zhǔn)確性，為工程技術(shù)人員進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算帶來了極大的便利。