基于AutoBank的淮安市黃河故道地區(qū)上段河道堤防滲流穩(wěn)定分析

張智醞 張紹廣 陶 娟 陳 娟

（淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 淮安 223005）

基于AutoBank的淮安市黃河故道地區(qū)上段河道堤防滲流穩(wěn)定分析

張智醞 張紹廣 陶 娟 陳 娟

（淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 淮安 223005）

土壩滲流是引起土壩破壞的主要原因之一。我國(guó)許多中小河流存在堤防工程滲漏嚴(yán)重、邊坡穩(wěn)定性差等問(wèn)題，使度汛安全受到威脅。因此，研究堤防滲流穩(wěn)定對(duì)中小河流防洪安全具有重要意義。將Auto Bank軟件應(yīng)用于黃河故道地區(qū)上段河道綜合整治工程防滲流穩(wěn)定計(jì)算，有效解決了工程邊界條件復(fù)雜、滲流介質(zhì)不單一的堤防滲流穩(wěn)定分析問(wèn)題。

Auto Bank軟件 堤防 滲流穩(wěn)定 黃河故道 河道綜合整治

滲流計(jì)算方法主要分為理論分析法和實(shí)驗(yàn)分析法，而由于堤防斷面土層分布千差萬(wàn)別，滲流介質(zhì)條件復(fù)雜。計(jì)算模型與實(shí)際斷面相差較大，用近似解法工作量大，且往往不能得到滿意結(jié)果。由河海大學(xué)研究開(kāi)發(fā)的AutoBank軟件，可對(duì)土壩、堤防、涵洞、水閘等水工建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。在堤防滲流穩(wěn)定分析計(jì)算中，采用全自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，通過(guò)迭代算法計(jì)算浸潤(rùn)線，有效解決了土壩滲流穩(wěn)定的求解，為設(shè)計(jì)人員提供了極大便利。

1 計(jì)算原理及功能特點(diǎn)

考慮水和土的壓縮性，堤內(nèi)的滲流應(yīng)符合達(dá)西定律，對(duì)于二向非均質(zhì)各向異性土體滲流，水頭勢(shì)函數(shù)滿足微分方程：

kx、ky為x、y軸方向的滲透系數(shù)；

Jx、Jy為x、y軸方向的水力坡降。

系統(tǒng)采用節(jié)點(diǎn)虛流量法通過(guò)多次迭代計(jì)算自動(dòng)確定浸潤(rùn)線位置、出逸高度及各點(diǎn)的水力坡降。

AutoBank軟件依托AutoCAD軟件界面，直接定義堤身斷面尺寸、堤身各土層材料的滲透系數(shù)、水頭（水位）、進(jìn)出流邊界條件等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后進(jìn)行有限元分析求解滲流場(chǎng)，并可直接查看各種滲流場(chǎng)的結(jié)果，包括等勢(shì)線、浸潤(rùn)線、流速等值線圖、流速矢量圖、水力坡降等值線圖等，采用數(shù)值、圖表等形式輸出。

2 淮安市黃河故道地區(qū)上段河道堤防滲流計(jì)算

2.1工程基本情況

此次黃河故道上段河道綜合整治工程規(guī)模為河道排澇標(biāo)準(zhǔn)十年一遇，排澇流量為90m3/s；堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，相應(yīng)排澇流量為113m3/s。子堤加固堤防等級(jí)為4級(jí)，堤頂寬6.0m，內(nèi)外邊坡均為1∶3，堤頂超高1.0m。拓浚斷面河道采用平底河道，瑤河閘上河底高程為10.5m、瑤河閘下河

底高程為10.0m，邊坡均為1∶3，河道糙率0.025，河道底寬20.0～45.0m。

圖1 典型斷面防洪工況滲流計(jì)算成果

圖2 典型斷面水位驟降工況滲流計(jì)算成果

表1 典型斷面子堤滲流計(jì)算成果

2.2地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

結(jié)合勘測(cè)資料，河道沿線20m范圍內(nèi)揭露的地層可分為5個(gè)工程地質(zhì)層，其中02層包含1個(gè)工程地質(zhì)亞層，03、04層各分為2個(gè)工程地質(zhì)亞層，各層分述如下：

00層：淤泥（Q4pr）?；液谏?，流塑，局部夾雜植物腐殖質(zhì)?？辈炱陂g，局部區(qū)域位于地表水之上，受陽(yáng)光暴曬、風(fēng)化等作用，表層因失水而呈現(xiàn)硬化現(xiàn)象。

01層：素填土（Q4m l）。以砂壤土、砂土為主，砂性大，表層含植物根系。厚度0.3～1.2m。

02層：砂壤土或粉砂（Q4pl）?；尹S色、黃灰色、灰色，稍濕—濕，無(wú)光澤，干強(qiáng)度及韌性低，砂性大，含云母片，局部夾軟塑狀粘性土，土質(zhì)不均勻。厚度1.0～10.8m。

02-1層：淤泥質(zhì)粘性土（Q4al）?；疑?、黃灰色，一般流塑，稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等，局部為軟塑狀粘性土，該層為02層中的夾層，分布不均勻。厚度0.3～2.2m。

03-1層：粉質(zhì)粘土或壤土（Q4al）?；尹S色、灰色，軟—可塑，稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等。厚度0.6～6.5m。

03-2層：粘土（Q3al）?；尹S色、黃灰色，雜蘭灰色條紋，一般硬塑，局部可塑，有光澤，干強(qiáng)度及韌性高，含鐵錳結(jié)核及砂姜。厚度0.8～7.0m。

04-1層：粉細(xì)砂或砂壤土（Q3al）?；尹S色、黃灰色、灰色，飽和，中密—密實(shí)，局部稍密，粘粒含量較低，級(jí)配較差，主要礦物成分以石英、云母為主，長(zhǎng)石次之。該層多未揭穿，揭露厚度0.6～12.3m。

04-2層：中粗砂（Q3al）?；尹S色、灰色，飽和，中密—密實(shí)，粘粒含量較高，級(jí)配較差，主要礦物成分以長(zhǎng)石、石英為主，云母次之。該層未揭穿，揭露厚度0.8～7.6m。

05層：粘土（Q3al）?；尹S色，雜蘭灰色條紋，硬塑，局部可塑，有光澤，干強(qiáng)度及韌性高，含鐵錳結(jié)核及砂姜。該層未揭穿，揭露厚度2.9～11.4m。

2.3計(jì)算工況

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013），此次黃河故道上段河道子堤防滲計(jì)算采用下列水位組合：

①臨水側(cè)為設(shè)計(jì)防洪水位，背水側(cè)為低水位。

②臨水側(cè)為設(shè)計(jì)防洪水位驟降1m，背水側(cè)為低水位。

通過(guò)對(duì)河道治理段地層巖性、土的物理力學(xué)性質(zhì)及地下水的狀態(tài)等條件分析，選取典型斷面進(jìn)行滲流計(jì)算，其工況①堤內(nèi)防洪水位16.34m，堤外水位平地面；工況②堤內(nèi)防洪水位16.34m驟降至15.34m，堤外水位平地面。

2.4單元格劃分

有限元計(jì)算中的各種計(jì)算數(shù)據(jù)通過(guò)單元的頂點(diǎn)進(jìn)行傳遞，因此單元間要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、線對(duì)線，且同一條土層線上劃分的單元數(shù)量相同。劃分單元前應(yīng)首先檢查計(jì)算斷面中各種土層線的拐點(diǎn)位置，并適當(dāng)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。使土層線的形狀有利于單元的劃分。自動(dòng)劃分三角形單元的方式，單元數(shù)量會(huì)增加，計(jì)算精度高、計(jì)算速度慢；半自動(dòng)劃分四邊形單元方式剛好相反。土層分布比較規(guī)則、簡(jiǎn)單時(shí)，采用四邊形單元。此次計(jì)算采用自動(dòng)劃分三角單元的方法。

3 計(jì)算結(jié)果分析

取上述典型斷面，有限元分析系統(tǒng)AutoBank軟件通過(guò)AutoCAD圖形建立相應(yīng)模型，如圖1、2所示。

由有限元分析系統(tǒng)AutoBank軟件依托AutoCAD顯示出選取模型斷面的最大出逸水力梯度值，見(jiàn)表1。

堤防各斷面最大出逸水力梯度為0.32，小于重粉質(zhì)砂壤土流土型滲透變形的容許最大出逸水力梯度值0.5，堤防防洪滲透穩(wěn)定滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)AutoBank軟件進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，經(jīng)過(guò)斷面選取、建立模型、單元?jiǎng)澐值冗^(guò)程，對(duì)實(shí)際工程邊界條件復(fù)雜、滲流介質(zhì)不單一情況進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際。

AutoBank軟件與AutoCAD同界面直接使用，只須提供壩身斷面尺寸、水頭、進(jìn)出流邊界條件等數(shù)據(jù)在圖形界面中完成操作，為滲流計(jì)算提供了極大的便利，具有方便、快捷等特點(diǎn)，提高了工作效率。

利用AutoBank軟件進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)果可靠，為河道治理設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)，從而確定合理的設(shè)計(jì)方案■

（專欄編輯：顧 梅）