大紅溝水庫(kù)數(shù)值模擬計(jì)算分析大壩滲流穩(wěn)定

姚富強(qiáng)

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原030024）

1 大壩概況

大紅溝水庫(kù)校核水位以下庫(kù)容為478萬(wàn)m3，Ⅳ等的工程等別，建筑物的級(jí)別為4級(jí)，水庫(kù)校核洪水位為1 086.91 m、設(shè)計(jì)洪水位為1 086.56 m、正常蓄水位為1 086.00 m、汛限水位為1 086.00 m、死水位為1 067.90 m。

1）壩頂構(gòu)造

大壩長(zhǎng)度為213 m，寬度為8 m，路面是瀝青路面，壩頂臨水側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土防浪墻，寬度為0.35 m、高度為1.2 m，背水側(cè)順壩方向設(shè)置一道排水溝。

2）壩坡設(shè)計(jì)

大壩上游壩坡1∶3，沒有設(shè)置馬道，干砌石護(hù)坡。大壩下游邊坡1∶2.5，壩坡高差間隔10 m設(shè)置一處馬道，馬道寬度為2.0 m。下游壩腳在高程1057.50 m以下設(shè)置排水棱體，排水棱體的上游邊坡為1∶1，下游邊坡為1∶2。

3）地質(zhì)條件

壩基溝底地表為Q4pal低液限黏土層，下部為黏土含級(jí)配不良的砂或卵石混合的土層，總厚度約為4.6～6.5 m。壩基下部及兩岸為Q2pl、N2低液限黏土層，其中，Q2pl低液限黏土層屬于弱-微透水層，N2低液限黏土層屬于微-極微透水層。本次設(shè)計(jì)將壩基Q4pal低液限黏土含級(jí)配不良的砂或卵石混合的土層全部清除。

2 軟件簡(jiǎn)介

AutoBank可以直接導(dǎo)入CAD圖形，劃分好圖形分區(qū)、設(shè)置好材料、給定邊界條件就可進(jìn)行滲流分析、穩(wěn)定分析、固結(jié)分析、應(yīng)力應(yīng)變分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算，是一從事水利工程設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件，軟件操作相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠極大的提高工作效率，深受一線工程設(shè)計(jì)人員的歡迎。

2.1 滲流分析

AutoBank采用有限元方法，求解二維的滲流場(chǎng)，可用于求解土石壩、堤防、水閘等建筑物的滲流場(chǎng)問(wèn)題，包括穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流場(chǎng)，能夠顯示浸潤(rùn)線，方便滲流場(chǎng)后處理及顯示各種水力特性參數(shù)、數(shù)據(jù)和圖形。

2.2 穩(wěn)定分析

AutoBank可以進(jìn)行正常運(yùn)行期、水位降落期和施工期等工況的計(jì)算，提供的解法主要包括有瑞典法，畢肖普法，摩根斯頓法，可以考慮地震加速度作用，進(jìn)行壩坡上下游的滑動(dòng)面計(jì)算。

3 滲流穩(wěn)定數(shù)值模擬計(jì)算分析

3.1 滲流分析

1）滲流計(jì)算方法

AutoBank滲流計(jì)算方法采用有限元法。計(jì)算斷面以選擇特征性強(qiáng)、有代表性的斷面為原則，選用最大岸高39.8m處為計(jì)算斷面。

2）土層滲透系數(shù)

表1 滲透系數(shù)表

各土層滲透系數(shù)詳見表1。

3）滲流計(jì)算

計(jì)算步驟：建立模型→模型分區(qū)→設(shè)置材料表→劃分網(wǎng)格→給定上游水位1 086.56 m→繪下游邊界線→求解穩(wěn)定滲流場(chǎng)，點(diǎn)擊軟件顯示浸潤(rùn)線菜單得到滲流場(chǎng)，見圖1，點(diǎn)擊軟件滲流場(chǎng)后處理菜單得出滲透比降，比降J=0.154，且單寬的滲流量q=0.36 m3/（d·m），滲透比降見圖2。

圖1 滲流場(chǎng)圖

圖2 滲透比降圖

4）計(jì)算結(jié)果分析

由圖1可知，浸潤(rùn)線進(jìn)入大壩設(shè)置的排水棱體處，沒有到達(dá)下游壩坡，壩坡沒有凍漲破壞的危險(xiǎn)，浸潤(rùn)線走向符合基本規(guī)律；等水頭線從上游至下游依次減小，也符合規(guī)律；滲流量也在規(guī)范要求內(nèi)。

由圖2可知，壩體滲透比降從上游坡面至下游呈減小的趨勢(shì)，壩體與壩基的出逸坡降為0.154。由地質(zhì)提供的資料可知壩基土允許的水力比降［J］=0.51，由上述計(jì)算結(jié)果分析得出壩體滲透比降小于允許的比降，大壩沒有滲透破壞的問(wèn)題。

3.2 穩(wěn)定分析

1）穩(wěn)定計(jì)算方法

AutoBank穩(wěn)定計(jì)算時(shí)采用的解法是畢肖普法，采用的是有效應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算。

2）穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)表

圖3 滑弧位置圖

3）穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算步驟：搜索范圍→標(biāo)注壩基高程→任務(wù)列表→求解最危險(xiǎn)滑面，得到上下游最危險(xiǎn)滑弧位置，見圖3，由圖可知上游穩(wěn)定系數(shù)K=3.01，下游穩(wěn)定系數(shù)K=1.47。

4）計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)土石壩規(guī)范壩坡抗滑穩(wěn)的定安全系數(shù)不小于1.25，上述計(jì)算結(jié)果顯示壩體的上下游安全系數(shù)均比規(guī)范規(guī)定值大，表明大壩的抗滑穩(wěn)定的沒有問(wèn)題，壩體是安全的。

4 結(jié)論

本文通過(guò)軟件Autobank對(duì)大壩的滲流穩(wěn)定進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算分析，滲流的模擬：由上述分析結(jié)果可知壩體與壩基的出逸坡降及滲流量均小于允許值，浸潤(rùn)線符合一般規(guī)律，大壩沒有滲透破壞的問(wèn)題；抗滑穩(wěn)定的模擬：上游壩坡的安全系數(shù)K=3.01，下游壩坡的安全系數(shù)K=1.47，均比規(guī)范值1.25要大，表明大壩沒有抗滑穩(wěn)定的問(wèn)題。通過(guò)Autobank水工設(shè)計(jì)軟件數(shù)值模擬計(jì)算，認(rèn)為大壩的滲流穩(wěn)定設(shè)計(jì)不存在問(wèn)題，計(jì)算成果支撐了大壩的設(shè)計(jì)，保證了大壩今后的正常運(yùn)行，類似工程可以借鑒。