Autobank 軟件在堤防滲透破壞分析中的應(yīng)用

喬永梅，張嘉琦

（中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

渠道輸送是灌溉用水的主要方式，而40%以上的灌溉水量損失是渠道輸水損失，因此做好渠道防滲研究與技術(shù)創(chuàng)新對節(jié)約用水意義重大[1］，而防滲措施的采取以及治理后的效果恰恰是工程的要點(diǎn)，同時(shí)渠道的滲流計(jì)算和抗滑穩(wěn)定是決定防滲措施的基礎(chǔ)，因此，要想從根本上有效降低輸水滲漏量，防止渠道的沖淤和坍塌，工程前期的滲流分析和抗滑穩(wěn)定計(jì)算十分重要。

Autobank 利用有限元原理進(jìn)行計(jì)算，作為水利行業(yè)普遍認(rèn)可的軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于堤防、水閘、箱涵、水庫大壩等水工建筑物的滲流穩(wěn)定相關(guān)計(jì)算，既能計(jì)算穩(wěn)定滲流場，又可應(yīng)用于水位驟降下的非穩(wěn)定滲流場，為防滲工程，尤其是隱蔽工程提供了可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 工程概況

某灌區(qū)總干渠半挖半填、填方渠道較多，沖刷、滲漏、塌方普遍，同時(shí)高填方堤段、堤基屬弱透水～較強(qiáng)透水地層，滲漏嚴(yán)重，經(jīng)過現(xiàn)場查勘，沿渠道普遍存在積水現(xiàn)象，未進(jìn)行防滲襯砌處理的堤段，均存在一定程度的滲漏，造成下游坡土體濕潤，部分渠段滲漏嚴(yán)重，沿坡可見成股明流。為解決渠道滲漏問題，進(jìn)行滲流安全及邊坡穩(wěn)定計(jì)算。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

（1）計(jì)算方法的選取

基于巖土工程分析的復(fù)雜性，Autobank 軟件很大程度上減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，但是對軟件計(jì)算原理及計(jì)算程序的認(rèn)識不深，往往會導(dǎo)致應(yīng)用上的錯(cuò)誤[2］?？倯?yīng)力和有效應(yīng)力的選擇以及參數(shù)設(shè)置完全由設(shè)計(jì)人員決定，有效應(yīng)力法是一種有效強(qiáng)度參數(shù)與孔隙水結(jié)合的方法，能夠更準(zhǔn)確的獲得最危險(xiǎn)滑移面的位置；相反，總應(yīng)力法在設(shè)置參數(shù)時(shí)候默認(rèn)材料抗剪強(qiáng)度與孔隙水壓力無關(guān)，即不考慮空隙水壓力。

①穩(wěn)定滲流期

穩(wěn)定滲流期，此次堤防已經(jīng)在長期浸泡作用下，形成飽和土體，必須考慮滲流對穩(wěn)定的影響。當(dāng)考慮滲流穩(wěn)定作用時(shí)，通常認(rèn)為土體自身已經(jīng)在自重作用下完全固結(jié)或者超固結(jié)，滑動面上的孔隙水壓力全部由滲流引起，屬于有效應(yīng)力分析。

②完建工況

完建工況下，孔隙水壓力較難確定，可不計(jì)算和分析土體內(nèi)孔隙水壓力的變化和分布，按不排水剪或快剪測定的指標(biāo)，采用總應(yīng)力法計(jì)算。

（2）工況的選取

①邊坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 386-2007）并結(jié)合《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）；采用簡化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算，對2級邊坡，抗滑穩(wěn)定允許最小安全系數(shù)為：

正常運(yùn)用條件：設(shè)計(jì)水位工況，K ≥1.25，有效應(yīng)力法；

非常運(yùn)用條件I：完建工況，K ≥1.20，總應(yīng)力法；

非常運(yùn)用條件Ⅱ：水位驟降工況，K ≥1.10，有效應(yīng)力法。

由于工程計(jì)算過程中，正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I除少數(shù)斷面需進(jìn)行復(fù)核之外，其余斷面均穩(wěn)定，此次，僅就危害性最大的水位驟降工況進(jìn)行分析。

②允許水力比降

粉質(zhì)粘土、含碎石粉質(zhì)粘土：0.45

泥質(zhì)粉砂巖、礫巖：0.35

（2）地質(zhì)參數(shù)的選取

根據(jù)鉆探資料，工程廠區(qū)內(nèi)覆蓋層自上而下依次為人工填土（Q4s）、沖洪積（Q4alp）粉質(zhì)粘土、碎石混合土、含碎石粉質(zhì)粘土。各地層性質(zhì)分述如下：

①1 素填土（Q4s）：灰黃色，可塑，以粘性土為主，含約10%碎石，層厚5.5 m。

②1 粉質(zhì)粘土（Q4alp）：紅褐色，可塑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，土質(zhì)不均，局部夾粉土薄層，層厚2.7 m，層底高程48.24 m。③1 碎石混合土（Q4alp）：褐黃色，中密。碎石占50%，次棱角～亞圓形，粒徑多為2 cm～3 cm，最大可達(dá)8 cm，另含50%中粗礫及粉質(zhì)粘土，層厚7 m。

③3 含碎石粉質(zhì)粘土（Q4alp）：雜色，碎石占40%，粒徑1 cm～4 cm 為主，次棱角～亞圓形，該層未揭穿。

表1 土層參數(shù)表

3 現(xiàn)狀堤防滲流安全計(jì)算

目前渠道正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)灌溉流量160 m3／s，底寬21 m～30 m， 現(xiàn)狀為梯形斷面， 渠道設(shè)計(jì)水深：0+000～15+000 為5.6 m，15+000～41+000 為5.1 m。

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采用Autobank 進(jìn)行堤防滲流計(jì)算時(shí)候應(yīng)滿足以下相關(guān)要求：

計(jì)算原則：①土堤滲流計(jì)算斷面應(yīng)具有代表性；②土堤滲流計(jì)算應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

計(jì)算內(nèi)容：①計(jì)算在設(shè)計(jì)洪水位持續(xù)時(shí)間內(nèi)浸潤線位置，當(dāng)在背水側(cè)堤坡逸出時(shí)，應(yīng)計(jì)算出逸出點(diǎn)位置、逸出段與背水側(cè)堤基表面的出逸比降；②當(dāng)?shù)躺?、堤基土滲透系數(shù)K ≥10-3cm／s 時(shí)，應(yīng)計(jì)算滲漏量；③設(shè)計(jì)洪水位降落時(shí)臨水側(cè)身內(nèi)自由水位[3］。

水力坡降和抗滑穩(wěn)定系數(shù)作為控制條件，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行，單寬滲漏量的計(jì)算可用來與實(shí)測滲流量相比較的方式作為參考項(xiàng)。

由表2 斷面滲流計(jì)算結(jié)果可以看出，未進(jìn)行防滲處理的堤岸段均存在以下問題：

表2 計(jì)算成果表

1）斷面樁號8+550、10+150、13+050、33+550 及39+540，堤岸下游出逸點(diǎn)偏高。

2）斷面樁號2+243、10+410、15+180、33+550、37+000、37+520、37+995、39+540 堤岸滲漏量較大。

3）斷面樁號2+243、2+790、10+150、10+140、31+050、33+550、37+000 及37+520 斷面出逸比降較大，且超過允許比降。

4 水位驟降工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算

1）對于灌排兩用渠道，尤其是南方大降水、大產(chǎn)流工程區(qū)，相比較于穩(wěn)定滲流，水位驟降下的非穩(wěn)定滲流更加險(xiǎn)要，此次干渠洪水來量較大，且隨來隨走，此次綜合考慮兩種情況：①洪水完全下泄前，渠道土體已經(jīng)完全浸泡，土體內(nèi)已形成完整浸潤線；②洪水完全下泄，歷時(shí)12 h，土體內(nèi)還未來得及形成完整浸潤線。由以上兩種情況可知，情況②更加安全，水位瞬間情況下，只有部分岸坡發(fā)生崩塌。安全起見，水位驟降情況下的滲流計(jì)算均按照情況①，即堤防土體已完全浸泡并與背水坡處已形成完整浸潤線，在這種情況下，洪水完全下泄時(shí)間越短對下游村莊和農(nóng)田危害越大，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和資料收集，12 h 下泄完成符合當(dāng)?shù)赝旰樗闆r。

非常運(yùn)用條件Ⅱ：水位驟降（12 h 由最高滯水位驟降至渠道水位0.2 m）。

總干渠為灌排兩用渠道，水位驟降使得堤防內(nèi)水來不及排出，堤身處于飽和狀態(tài)，土體容重增加，在滲流作用下，造成堤防迎水坡下滑力增大，抗滑力減小，失去穩(wěn)定而產(chǎn)生滑坡；此外，水位驟降導(dǎo)致堤防內(nèi)的自由面或浸潤線滯后于水位降落，是堤防迎水坡最不穩(wěn)定情況。

此次計(jì)算，以總干渠泄洪閘完全泄洪，發(fā)生30 年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，樁號0+000～15+000 各斷面以最高滯水位5.1 m 為計(jì)算水位，樁號15+000～15+000 以最高滯水位5.6 m 為計(jì)算水位，均驟降至渠道水位0.2 m，一般退水時(shí)間均在12 h 左右，因此平均每天降落速度按11.2 m／d 計(jì)算。

表3 堤岸防滲各土層水位降落參數(shù)表

由上表計(jì)算結(jié)果可知，各土層k／ v 計(jì)算值均屬于0.1＜k／ v ≤60 工況，即堤前水位為一般降落，需要進(jìn)行上游堤岸水位降落穩(wěn)定計(jì)算。

鑒于總干渠防滲段存在三種情況下的不穩(wěn)定情況，水位驟降工況下，各選擇一個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算，即：

①由于新舊土夾層導(dǎo)致的土壤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定引起的滲流，斷面2+243；

②下游逸出點(diǎn)高程較高，斷面10+150；

③滲流量較大，斷面37+520。

按照12 h 將滯洪區(qū)水退完，水位下降時(shí)段及水位劃分為5 段來考慮，采用Autobank7.7 系統(tǒng)軟件對3 個(gè)典型斷面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 樁號2+243 斷面水位降落抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖2 樁號10+410 斷面水位降落抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖3 樁號37+520 斷面水位降落抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由上圖計(jì)算可知，水位驟降工況下，各斷面邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算值均大于規(guī)范最小允許值[1.10］，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

總干渠的滲漏有以下原因：

1） 填土的巖芯整體較為松散，可以看出修筑時(shí)壓實(shí)程度不夠，填土大體分為①1 填土和①2 填土兩種，其中①1填土以粉質(zhì)粘土為主，含有的碎石、卵石、礫石等未超過35%，①2 填土則含碎石、卵石、礫石等超過50%，顆粒組成與碎石混合土類似，根據(jù)注水試驗(yàn)，這兩種填土的滲透性均屬于中等透水，①2 填土由于顆粒大，孔隙較多，滲透性更強(qiáng)一些。①3 填土則與砂卵礫石的顆粒組成相同，漏水量均超過了注水能力，為強(qiáng)滲透性土層。綜上，總干渠的填土隔水性總體較差，而填土的厚度又較大，多為6 m～8 m，大者可達(dá)13 m，因此在多個(gè)防滲段的背水坡均可見到小的滲流通道。

2）渠堤填土與老土接觸不良，填土底部與老土的接觸面中還殘留有植物根系，說明當(dāng)時(shí)在筑壩施工時(shí)，大堤基礎(chǔ)沒有清理，蓄水后原地表殘留的植物根系，長期受水的浸泡，腐爛后形成孔隙，在高水頭作用下，受滲透水壓力的沖刷，土中的細(xì)顆粒不斷隨水流沖走，產(chǎn)生管狀滲流通道，造成大堤背水坡多處漏水。

本次防滲處理主要解決：①邊坡滲流量較大；②局部堤段出逸點(diǎn)較高；③部分?jǐn)嗝嫠ζ陆递^大引起的透破壞，三方面的問題。

5 現(xiàn)狀評估

（1）根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用穹答仯瑯短?+243、8+550、10+410、15+180、33+550、37+000、37+520、37+995、39+540 存在出逸點(diǎn)偏高或滲漏量大的的情況。其中，樁號8+550、10+150、13+050、33+550 及39+540，堤段浸潤線出逸點(diǎn)偏高，高于現(xiàn)狀渠底高程0.77 m～4.74 m。

（2）根據(jù)水文地質(zhì)及邊坡滲流狀態(tài)的現(xiàn)場查勘情況，樁號2+720～2+820 和13+000～13+100 有斷層，地質(zhì)情況復(fù)雜，滲流異常；樁號8+000～8+700 局部地面土層表面濕潤，局部有水流逸出點(diǎn)；樁號4+800～5+100、10+000～10+500 及37+300～37+700 則是目前工程運(yùn)行期中滲漏最明顯的堤段。

（3）現(xiàn)場邊坡完好，未見滑塌現(xiàn)象發(fā)生。

6 結(jié)論

由以上結(jié)論可知，采用Autobank 軟件計(jì)算成果與現(xiàn)狀基本吻合，因此，雖然Autobank 軟件在實(shí)際設(shè)計(jì)中較長出現(xiàn)看似不合理的計(jì)算結(jié)果，比如深層滑弧的出現(xiàn)，究其原因，多數(shù)是建?；騾?shù)取用不合理導(dǎo)致。總之，在使用Autobank 軟件時(shí)，應(yīng)該充分考慮工況、邊界條件，搜索范圍、地下水位、地質(zhì)參數(shù)的選取等問題，否則會引起較大工程誤差。