基于Autobank的荆方泵站上游围堰渗流稳定分析

王桂智，杨庆庆，蒋文志，李建刚，武 蒙

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；2.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225007)

围堰是指在水利工程建设中，为建造永久性水利设施而修建的临时性围护结构。其作用是防止水和土进入建筑物的修建位置，以便在围堰内排水，开挖基坑，修筑建筑物[1]。土围堰作为常见的一种围堰型式，在水利水电工程中使用较为广泛[2]。土围堰的安全问题关系着主体工程的顺利实施以及工程的质量进度，一旦失事后果十分严重，因而对围堰的渗流稳定计算分析就显得尤为重要[3]。本文以荆方泵站上游围堰为例，利用Autobank软件对不同工况下的围堰渗流过程进行模拟，并做整体抗滑稳定分析，根据模拟计算结果对上游围堰进行加固方案设计并提出相关建议，以期对同类工程起到一定的参考作用。

1 工程概况

荆方排涝泵站工程位于芜湖市荆山河与青弋江交汇处，是芜湖市中片水网区防洪治涝体系调整的骨干工程之一，也是芜湖市重要的城市排涝基础设施之一，泵站设计排涝流量约50m3/s，总装机容量5880kW。根据本工程初步设计报告及其审查批复意见，本工程围堰为4级水工建筑物设计，围堰防洪标准取10～20a一遇的洪水位。

围堰设计顶宽6.0m，在两侧边坡高程7.0m处均设宽3.0m的平台，平台以上坡比为1∶3，平台以下坡比为1∶4。在荆方泵站围堰施工时，由于受到征地拆迁的影响导致围堰未能在枯水期完成，围堰填筑受工期和降雨的影响，围堰填筑期土方压实较为困难。经检测，现状围堰压实度为0.85～0.95，未能达到规范[4]中“3级以下堤防不应小于0.91”的强制性要求。为确保本工程围堰防洪安全，必须对现状围堰进行安全复核，分析围堰结构的安全性，并根据围堰安全复核情况提出相应的工程处理措施。鉴于文章篇幅，本文只对上游围堰进行渗流稳定分析。上游围堰土层地质指标见表1。

现状上游围堰断面如图1所示。

2 围堰渗流稳定分析

2.1 Autobank软件模型

Autobank软件是目前国内水利设计院通用的水工结构有限元计算软件。它由河海大学研制开发，计算模块采用有限元原理，可用于堤防、土石坝等水工建筑物的渗流、稳定计算，结果较为准确可靠[5]。

Autobank软件基于水力学原理而设计，其基本原理为达西定律[6]，基本方程[7]为：

(1)

式中，h0—边界水头；n—边界外法线方向；z—浸润线上各点的几何纵坐标值。

表1 上游围堰土层地质指标成果

图1 现状上游围堰断面

图2 上游围堰校核防洪水位水力坡降等值线

2.2 渗流计算

根据规范[4]对渗流及渗透稳定性计算的要求，对类似于堤防的均质土围堰工程应计算求得渗流场内的水头、压力、坡降、渗流量等水力要素。按照本工程上游围堰特征水位组合，经分析，在围堰外侧水位达到校核防洪水位11.50m、围堰内部无水(地面高程6.0m)时，围堰两侧水位差最大，对围堰的渗流稳定最为不利。在围堰渗流稳定分析时，运用Autobank建立平面计算模型，采用自动单元网格划分方法，单元长度设为1，围堰断面划分为若干三角形单元，并按照围堰渗流计算水位组合情况，确定渗流边界，进行围堰结构渗流分析。具体计算成果如图2所示。

经计算，上游围堰背水坡渗流溢出点高程为7.56m，渗出段最大水力坡降0.541，大于A层土的允许水力坡降0.39，坡脚水平段最大水力坡降0.676，大于地基2层土允许水力坡降0.28，渗流稳定性不满足规范要求，需进行相关处理。

2.3 稳定计算

根据规范[4]，围堰抗滑稳定分析采用瑞典圆弧法，应用Autobank软件进行分析计算。按照本工程地质勘察报告揭示的土层分布情况及相应土层的地质指标，经计算，上游围堰在不同运行工况下结构抗滑稳定计算具体成果见表2。

表2 上游围堰抗滑稳定复核成果

图3 上游围堰抗滑稳定计算成果

图4 上游围堰加固断面

抗滑稳定成果如图3所示。

根据计算结果，上游围堰迎水坡在设计低水位工况下，抗滑安全系数1.08略小于规范允许值；背水坡在设计防洪水位工况下，抗滑安全系数1.11<1.15，不满足规范要求，需对上游围堰进行加固处理。

3 围堰加固设计

根据上游围堰安全复核成果，对上游围堰进行加固处理。

首先，清除现状堤顶杂物，加高堤防至12.50m、顶宽6.0m，迎水面堤顶设置高1m、宽1m的袋装土挡浪子堰，控制子堰顶高程13.50m，以满足防洪高度的规范要求；其次，在背水坡增设宽3m的后戗台，设计戗台顶高程为8.5m，并将现状戗台顶高程提高至10.0m，控制压实度不小于0.91。

然后按照渗流计算情况，在背水坡设置贴坡反滤体，加固后围堰渗流溢出点高程为7.33m，设计反滤体顶高程为7.50m，反滤体采用袋装砂石、厚50cm，并在坡脚设置排水体，解决水平段渗流水力坡降超标问题，以提高围堰渗流稳定性。加固后围堰断面如图4所示。

对加固后上游围堰进行抗滑稳定计算、渗流分析，稳定计算成果见表3。

表3 上游围堰加固后抗滑稳定计算成果

抗滑稳定成果如图5所示。

根据抗滑稳定计算，加固后的围堰结构在各运行工况下最小抗滑安全系数均满足规范对4级堤防的抗滑稳定要求；迎水坡的抗滑安全系数在设计低水位时略小于规范允许值。考虑到在该工况下，围堰出现滑动，对区域和工程建设造成的危害较小，同时鉴于现状围堰填筑土尚未完全固结，随着时间的推移填筑土持续固结，土层地质指标将进一步提高，围堰抗滑稳定性也将进一步提高。故此系数暂按安全范围考虑，建议加强对上下游围堰的迎水坡变形的观测，尤其是在水位降落时，需增加观测频次，一旦发现较大的变形，立即在迎水面坡脚处填筑压重平台，以确保围堰安全。

图5 上游围堰加固后抗滑稳定计算成果

图6 上游围堰加固后校核防洪水位水力坡降等值线

渗流分析具体计算成果如图6所示。

由图6可知，围堰内侧经加固处理后，渗流水力坡降得到了有效降低，同时反滤体及坡脚排水体可有效处理水平段渗流水力坡降超标问题，保证围堰的渗流稳定性。

4 结语

以荆方泵站上游围堰为实例，利用Autobank软件对现有上游围堰及加固后围堰进行渗流稳定及抗滑稳定计算分析，可得到以下结论。

(1)现状上游围堰在某些工况下抗滑稳定安全系数不满足规范要求，需进行加固处理；渗流稳定性不满足规范要求，对坡面和坡脚渗流水力坡降超出土层允许值范围的需设置反滤体，以提高围堰的渗流稳定性。

(2)上游围堰背水坡增设后戗台，并提高现状戗台顶高程，加固后的围堰在各运行工况下抗滑稳定安全系数满足规范要求；在背水坡坡脚设置贴坡反滤体，并在坡脚设置排水体，可解决水平段渗流水力坡降超标问题，提高围堰渗流稳定性。

(3)Autobank软件可有效模拟渗流场并进行围堰渗流稳定及抗滑稳定计算，计算结果准确可靠，可对国内土坝工程渗流稳定分析提供有效技术支持。