基于AUTOBANK防洪堤邊坡滲流及穩(wěn)定分析

李佳雨桐

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概 述

庫(kù)車城市防洪工程防洪堤級(jí)別為2級(jí)堤防，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)流量為189.85 m3/s。堤防工程中，防洪堤的滲流穩(wěn)定以及邊坡穩(wěn)定是工程設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問題。因此，在設(shè)計(jì)后要運(yùn)用合理、可靠的方式對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行滲流穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定分析，保證設(shè)計(jì)的合理性及工程的安全性。

AUTOBANK水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)，是河海大學(xué)力學(xué)系專門針對(duì)水利行業(yè)的需求設(shè)計(jì)的，可對(duì)滲流、變形、應(yīng)力及穩(wěn)定進(jìn)行一體化計(jì)算，從建模、材料賦予、網(wǎng)格劃分及后處理各個(gè)階段無(wú)縫銜接，同時(shí)與AUTOCAD聯(lián)合運(yùn)用，使計(jì)算建模更為便捷。

本文通過(guò)使用AUTOBANK對(duì)設(shè)計(jì)的防洪堤進(jìn)行水工建模分析，采用工程地勘的實(shí)際數(shù)據(jù)作為模型參數(shù)，最大程度還原模型真實(shí)性，通過(guò)模擬分析，得到防洪堤滲流穩(wěn)定結(jié)果及抗滑穩(wěn)定結(jié)果，給設(shè)計(jì)以指導(dǎo)。

2 建立模型

本次新疆庫(kù)車防洪堤工程設(shè)計(jì)的防洪堤利用現(xiàn)場(chǎng)的原土填筑，即低液限粉土進(jìn)行堤身填筑。邊坡一坡到底，迎水面設(shè)計(jì)邊坡為1∶2.00，背水面邊坡為1∶1.75。堤頂寬度為6.00 m，堤頂高程1066.43 m，設(shè)計(jì)水位高程1065.03 m[1]。

在AUTOCAD軟件中，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況，建立設(shè)計(jì)模型，將模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入AUTOBANK計(jì)算軟件中，進(jìn)行材料屬性定義、計(jì)算參數(shù)定義以及網(wǎng)格劃分等前期建模工作，將模型建立完全后進(jìn)行計(jì)算分析。

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算工況

3.1.1 滲流穩(wěn)定計(jì)算工況

堤身滲流穩(wěn)定計(jì)算，主要是通過(guò)計(jì)算浸潤(rùn)線、平均水力坡降、堤后坡滲流出口比降，判別堤身的滲透穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)際運(yùn)用情況的需要，本次取設(shè)計(jì)洪水位工況進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，即在防洪設(shè)計(jì)流量情況下，定義堤前水位，計(jì)算分析防洪堤滲流穩(wěn)定情況。

3.1.2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況

采用瑞典圓弧法計(jì)算堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，用計(jì)算得到的結(jié)果與規(guī)范允許值比較，以判別堤身邊坡穩(wěn)定性。本次取以下工況：正常運(yùn)用條件及兩種非常運(yùn)用條件[2]。

正常運(yùn)用條件：設(shè)計(jì)洪水位下的不穩(wěn)定滲流期的背水側(cè)堤坡。

非常運(yùn)用條件：施工期的臨水、背水堤坡；多年平均水位時(shí)遭遇地震的臨水側(cè)堤坡。

3.2 計(jì)算參數(shù)

防洪堤沿線地質(zhì)條件為低液限粉土，堤身采用原土回填，即同樣為低液限粉土。本次堤身及地基的相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1、表2所示。

表1 堤身計(jì)算參數(shù)取值

表2 堤基計(jì)算參數(shù)取值

3.3 邊界條件

考慮水、土的壓縮性，符合二向非均質(zhì)各項(xiàng)異性土體滲流的達(dá)西定律，其基本方程如式(1)、式(2)所示：

土壩非穩(wěn)定滲流基本方程：

(1)

當(dāng)水、土不可壓縮時(shí)，上式變?yōu)椋?/p>

(2)

式中：h0為邊界水頭；n為邊界外法線方向；z為浸潤(rùn)線幾何坐標(biāo)[3]。

4 結(jié)果分析

本文以庫(kù)車城市防洪工程防洪堤作為工程實(shí)

例進(jìn)行分析，防洪堤堤身采用均質(zhì)土堤。迎水面設(shè)計(jì)邊坡為1∶2.00，背水面邊坡為1∶1.75。堤頂寬度為6.00 m，堤頂高程1066.43 m，設(shè)計(jì)水位高程1065.03 m，根據(jù)實(shí)際地勘參數(shù)，同時(shí)對(duì)堤身進(jìn)行滲流穩(wěn)定及邊坡穩(wěn)定分析。

4.1 滲流穩(wěn)定結(jié)果分析

本次新疆庫(kù)車防洪堤工程設(shè)計(jì)，對(duì)防洪堤設(shè)計(jì)洪水位工況的滲流穩(wěn)定進(jìn)行分析，計(jì)算出堤身最大比降，求得最大允許比降值為0.086，該值小于地質(zhì)勘查提供的允許比降值0.150，因此，堤身滲流穩(wěn)定滿足要求，設(shè)計(jì)基本合理，程序?qū)⒗L制出浸潤(rùn)線圖，可觀察堤身滲流路徑[4]。堤身滲透穩(wěn)定成果見表3，浸潤(rùn)線圖見圖1。

表3 堤坡滲透穩(wěn)定計(jì)算成果

圖1 浸潤(rùn)線圖(單位：m)

4.2 抗滑穩(wěn)定結(jié)果分析

本次新疆庫(kù)車防洪堤工程設(shè)計(jì)，對(duì)防洪堤正常運(yùn)用條件的一種工況及非常運(yùn)用條件的兩種工況進(jìn)行了抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算，分別計(jì)算出三種情況下各自的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)并與規(guī)范所規(guī)定的允許值比較，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)，繪制出三種情況的滑弧面，直觀觀察抗滑穩(wěn)定結(jié)果[5]。抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)成果見表4，危險(xiǎn)滑弧面圖見圖2～圖4。

表4 防洪工程堤坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

圖2 正常工況計(jì)算值滑弧圖(單位：m)

圖3 非常工況Ⅰ計(jì)算值滑弧圖(單位：m)

圖4 非常工況Ⅱ計(jì)算值滑弧圖(單位：m)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文應(yīng)用AUTOBANK有限元分析程序，結(jié)合工程實(shí)例，便捷的模擬分析出設(shè)計(jì)的水工建筑物在實(shí)際工程場(chǎng)地中的滲流穩(wěn)定情況以及邊坡穩(wěn)定情況，分析結(jié)果給出了設(shè)計(jì)所需要參考的力學(xué)數(shù)值及可視化計(jì)算結(jié)果，及時(shí)糾偏，通過(guò)計(jì)算結(jié)果與允許范圍比較，給設(shè)計(jì)提供直觀的重要的參考和指導(dǎo)，從而確定合理的設(shè)計(jì)方案，有效的提高了設(shè)計(jì)效率以及設(shè)計(jì)的安全性。